Ein neuer theoretischer Rahmen aus der Quanteninformationstheorie soll chemische Bindungen exakter und eleganter beschreiben als bisherige Modelle.

Nicht weniger verspricht die neue Veröffentlichung einer Forschungsgruppe der LMU München, die sich eines grundlegenden Problems der theoretischen Chemie annimmt: Die chemische Bindung zwischen zwei oder mehreren Atomen ist ein fundamentales Prinzip der mikroskopischen Welt. Sie legt zentrale physikalische und chemische Eigenschaften von Quantensystemen fest – nicht nur in kleinen Molekülen, sondern auch in Materialien, die sich über große Distanzen erstrecken. Doch auch wenn die Bindung bereits in der Schule Thema ist, lässt sie sich oft nur mithilfe diverser Modelle beschreiben – insbesondere bei komplexen Randphänomenen, zum Beispiel Mehrzentrenbindungen, in denen Elektronen über mehrere Atome verteilt sind. Mit Methoden der Quanteninformationstheorie hat die Forschungsgruppe um Christian Schilling jetzt einige dieser Phänomene in einer Theorie vereint. Das Team führte sogenannte maximal verschränkte Atomorbitale (MEAOs) ein und konnte damit rechnerisch zeigen, dass komplexe Bindungen direkt aus der quantenmechanischen Verschränkung der Elektronen entstehen.

Stefan Grimme, Professor für theoretische Chemie der Universität Bonn, zeigt sich »Spektrum« gegenüber eher verhalten zu der in »Nature Communications« veröffentlichten Studie. Zwar sei die Arbeit eine »gute Idee« und der Ansatz »für Spezialisten interessant«, doch gäbe es für die meisten möglichen Anwendungen schon andere Methoden. Im Übrigen werde das Rad mit einer quantentheoretischen Formulierung der Bindung nicht neu erfunden: »Der Input ist schon quantenphysikalisch, und daran ändern die Autoren auch gar nichts.«

Ein wenig positiver gibt sich Lutz Greb, Professor für anorganische Chemie an der Universität Heidelberg, der im Gespräch mit »Spektrum« eine praktischere Sicht auf das Paper teilt: »Aus der Perspektive der chemischen Plausibilität und Anschlussfähigkeit scheint mir das Framework wirklich nützlich. Insbesondere in Fällen, in denen klassische (Modelle) an Grenzen stoßen oder stark interpretationsabhängig werden.«

Mehr Klarheit für komplexe Systeme 

Einig sind sich beide bei Multizentrenbindungen und Aromatizität, also in Fällen, in denen sich mehr als zwei Atome ein System von Elektronen teilen. Das neue Modell könnte helfen, solche Situationen klarer zu beschreiben. Denn die echte mehrteilige Quantenverschränkung der Teilchen macht sichtbar, wie sie sich über mehrere Atome hinweg gemeinsam organisieren – und daraus entstehen natürlicherweise komplexe Konzepte wie Aromatizität oder Mehrzentrenbindung.

Im nächsten Schritt sollten Forschende das neue Modell systematisch mit etablierten Methoden und experimentellen Daten vergleichen, insbesondere in Fällen, in denen bestehende Modelle zu unterschiedlichen Interpretationen führen. »Besonders überzeugend wären Fallstudien, in denen etablierte Methoden unterschiedliche oder widersprüchliche Bilder liefern und das neue Framework eine zusätzliche, chemisch belastbare Differenzierung erlaubt«, sagt Greb.