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Isomere: Wassermoleküle nach Spin sortiert

Wassermoleküle in der Sortieranlage
Die Kernspins der beiden Wasserstoffatome im H2O können in dieselbe oder aber in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Eine neue, einfache Methode unterscheidet die beiden leicht verschiedenen Wassermoleküle und trennt sie voneinander. Ihre physikalischen Eigenschaften lassen sich so nicht nur besser untersuchen, auch praktische Anwendungen sind laut den Forschern in Sicht: zum Beispiel in Form empfindlicherer Kernspinresonanzspektroskopie.

Die Wissenschaftler des Technion – Israel Institute of Technology in Haifa, Israel, sprühten ein Gemisch aus Wasserdampf (3 Prozent) und einem schweren Trägergas (97 Prozent) durch eine schmale Düse in eine Vakuumkammer. In ihr durchquerte der überschallschnelle Strahl ein speziell geformtes Magnetfeld, in dem Moleküle mit parallelem Protonenspin zur Mitte hin fokussiert werden und diejenigen mit antiparallelem Spin sich nach außen bewegen. Auf diese Weise erhielten Gil Alexandrowicz und seine Kollegen einen Strahl aus reinem "Orthowasser". Das Trägergas verwendeten sie, um den Molekülstrahl ausreichend kühl und langsam aus der Düse treten zu lassen.

Sortieranlage für Wassermoleküle | Ein Gemisch aus Wasserdampf und Kryptongas gelangt durch eine kleine Düse in eine Vakuumkammer (2), wodurch ein Molekülstrahl entsteht. Dieser durchläuft einen Hexapolmagneten (3), der für eine bestimmte Spinprojektion – in diesem Fall beide Protonenspins parallel zur z-Achse – wie eine fokussierende Linse wirkt. Durch eine kleine Blende (4) werden die Moleküle dieses "Orthowassers" dann zu einem Massenspektrometer geleitet (5).
Das Verhältnis der beiden Spin-Isomere und deren Eigenschaften spielen eine wichtige Rolle in vielen Forschungsgebieten – von Astrophysik bis hin zur Kernspinresonanzspektroskopie, so die Forscher um Gil Alexandrowicz. Deshalb sei es wichtig, die Wassermoleküle entsprechend aufzuteilen und damit besser untersuchen zu können. Bisher gäbe es kein zuverlässiges Verfahren hierfür. Zudem könne der Strahl direkt auf eine Probe im Ultrahochvakuum geleitet werden, was eine Reihe an Experimenten ermögliche. Auch andere leichte Moleküle ließen sich mit der neuen Methode sortieren.

Einen weiteren Vorteil ihrer Methode sehen die Wissenschaftler darin, dass sich sogar bestimmte Spinkomponenten – also Projektionen des Spins auf eine beliebige Raumachse – herausfiltern lassen. Dies könnte zukünftig zu deutlich stärkeren Signalen in der Kernspinresonanzspektroskopie führen. (mp)
© Science/AAAS
Wassermoleküle in der Sortieranlage

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