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Falschgelegen beim Rutschen auf Eis | Mensch und Tier rutschen auf dem Flüssigkeitsfilm von Eis aus. Bisher wurde dazu gelehrt: Treten sie auf das Eis, üben sie mit ihrem Gewicht Druck aus, und Reibungskräfte und Wärme bringen das Eis zum Schmelzen. Allerdings haben die Faktoren einen geringen Effekt darauf, dass sich eine Flüssigkeitsschicht bildet. Dafür ist stattdessen der Dipolcharakter des Wassers verantwortlich, wie Saarbrücker Forschende herausgefunden haben. Berührt etwa eine Schuhsohle die Eisschicht, interagieren manche Wassermoleküle mit der Sohle, die Ordnung sinkt, und das ehemals kristalline Wasser wird amorph und schmilzt. Das funktioniert selbst nahe des absoluten Nullpunkts noch, der Film ist jedoch zähflüssig.Phys. Rev. Lett., doi: <accessionid ref="info:doi/10.1103/1plj-7p4z">10.1103/1plj-7p4z</accessionid>Partialladungen direkt messen |Mit Elektronenbeugung lassen sich erstmals Partialladungen experimentell bestimmen. Einzige Voraussetzung: Die Verbindungen müssen kristallin sein. Um die Ladungen zu messen, schießt ein Elektronenstrahl durch den Kristall, der von den Partialladungen der Atome abgelenkt wird.Wiener Forschende bestimmten so unter anderem die Partialladungen zweier Aminosäuren und des Zeolithen ZSM-5. Beim Antibiotikum Ciprofloxacin, das als Hydrochloridsalz vorliegt, stellten sie fest: Das Chloridion trägt nur 40 % der negativen Ladung.Nature, doi: <accessionid ref="info:doi/10.1038/s41586-025-09405-0">10.1038/s41586-025-09405-0</accessionid>Wie Bakterien CO2 spalten | Berliner Forschende haben den molekularen Mechanismus entschlüsselt, wie in Bakterien CO2 zu CO reagiert. Sie zeigten in atomarer Auflösung alle wichtigen Zustände des nickelhaltigen Enzyms Kohlenmonoxid-Dehydrogenase (CODH). Dazu visualisierten die Gruppen von TU und FU Berlin die Zwischenzustände mit Röntgenkristallographie sowie Infrarot- und Elektronenspinresonanz-Spektroskopie: darunter, wie CO2 an das Nickelatom des Ni-Fe-Komplex bindet, Elektronendichte abgibt und gespalten wird sowie wie CO entsteht und frei wird.Nat. Catal., doi: <accessionid ref="info:doi/10.1038/s41929-025-01388-5">10.1038/s41929-025-01388-5</accessionid>Luca Blicker

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Falschgelegen beim Rutschen auf Eis | Mensch und Tier rutschen auf dem Flüssigkeitsfilm von Eis aus. Bisher wurde dazu gelehrt: Treten sie auf das Eis, üben sie mit ihrem Gewicht Druck aus, und Reibungskräfte und Wärme bringen das Eis zum Schmelzen. Allerdings haben die Faktoren einen geringen Ef...

Ein Molekül, das vermeintlich nur im All stabil ist, haben Forschende auf die Erde geholt. In einer Anlage stellten sie die Bedingungen im Weltraum nach, synthetisierten die Verbindung und brachen so die Erlenmeyer-Regel.Die Erlenmeyer-Regel hat 150 Jahre gehalten. Ihr zufolge sind organische Moleküle mit mehr als einer Hydroxylgruppe am selben Kohlenstoffatom nicht stabil und neigen dazu, Wasser abzuspalten. Die Regel bröckelt jedoch spätestens, seit im Jahr 2025 Forschende eine Reaktion im Weltraum auf der Erde nachstellten.Solche Verbindungen sind instabil, da sie beim Zerfallen eine C=O-Doppelbindung bilden, deren Bindungsenergie höher ist als die zweier C-O-Einfachbindungen. Außerdem stoßen sich die benachbarten Hydroxylgruppen sterisch und elektronisch ab. Der Regel zufolge sind die Polyalkohole Methandiol (CH2(OH)2), Methantriol (CH(OH)3) und Methantetrol (C(OH)4) instabil und bilden bei Wasserabspaltung Formaldehyd (H2CO), Ameisensäure (HCOOH) und Kohlensäure (H2CO3). Je mehr Hydroxylgruppen, desto instabiler die organische Verbindung. Methantetrol (C(OH)4) sollte also am instabilsten sein. Doch Erlenmeyer zog seine Schlüsse aus Ergebnissen auf der Erde – wie reagieren Moleküle im Weltraum?<h2 type="main">Den Weltraum nachgebaut</h2>Vor 100 Jahren postulierte Ernst Wilke die Existenz von Methantetrol. Da Wasser mit Kohlendioxid zu Kohlensäure reagiert, dachte er, die Reaktion mit einem weiteren Wassermolekül müsse auf dem Papier Methantetrol erzeugen. Nun hat ein Forscherteam aus den USA, China und Russland, geleitet von Ralf-Ingo Kaiser von der Universität Hawaii, unter den extremen Bedingungen des interstellaren Raums im Labor Methantetrol hergestellt und nachgewiesen.1) Dazu waren Simulationsexperimente und Berechnungen der elektronischen Struktur nötig: Joshua Marks (Hawaii) und Xilin Bai (Shanghai) replizierten die Bedingungen eisbeschichteter Nanopartikel in interstellaren kalten Molekülwolken – extrem verdünnte Regionen des Weltraums mit Temperaturen von 5 bis 10 K (<link href="#nadc20254153538-fig-0001">Foto). Unserer retrosynthetischen Analyse zufolge sollte C(OH)4 aus H2O und H2CO3 entstehen. Diese Bildung erfordert Nichtgleichgewicht-Bedingungen, die im Eis kosmischen Staubs herrschen, das von galaktischen kosmischen Strahlen bestrahlt wird.<figure xml:id="nadc20254153538-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://eu-central-1.graphassets.com/Aype6X9u2QGewIgZKbFflz/cmg61n3jqa63706urew0c6oao"><figcaption><label>Abb.1: </label>Diese Anlage diente dazu, Methantetrol erstmals auf der Erde zu synthetisieren und dabei die Intermediate nachzuweisen. Foto: D Tao Yang / East China Normal University, Shanghai</figcaption></figure></figure>In einer Ultrahochvakuumkammer bei Temperaturen von 5 K erzeugten die Experimentatoren amorphes Eis aus H2O und CO2. Das Eis setzten sie energiereicher Strahlung aus, die kosmische Strahlung nachahmt: Hochenergetische Teilchen bombardieren Eis und treiben im Weltraum chemische Reaktionen an. So wurde Methantetrol im Labor erst synthetisiert und anschließend aus dem Eis in die Gasphase sublimiert.Stabil ist C(OH)4 nur in einer Matrix aus inerten Teilchen oder als isoliertes Molekül in der Gasphase. Massenspektrometrie mit Elektronenimpakt-Ionisation unterscheidet nicht zwischen Isomeren, weshalb Photoionisierung genutzt wurde. Vakuum-Ultraviolet(VUV)-Licht mit starker und durchstimmbarer Synchrotronstrahlung ionisierte die Methantetrol-Moleküle in der Gasphase.2) Dabei entstanden [C(OH)4]+-Ionen, die genug innere Energie besitzen, um eine Hydroxylgruppe abzugeben und so zu [C(OH)3]+-Ionen zu fragmentieren. Dieses Ion wiesen wir im Reflektron-Flugzeit-Massenspektrometer nach.Allerdings waren die Ionisierungsenergien der Konformere von Methantetrol und ihrer Vorläufer unbekannt, weshalb wir sie berechneten. Alexander Mebel (Florida), Ryan Fortenberry (Mississippi) und Anatoliy A. Nikolayev (Samara, Russland) lieferten die errechneten Photonenenergien zur Ionisierung der sublimierenden Moleküle in der Gasphase. Die Experimente und Rechnungen bewiesen nicht nur, dass sich Methantetrol aus CO2 und H2O gebildet hatte, sondern auch wie (Kasten).<h2 type="main">Barriere blockt Erlenmeyer-Regel</h2>Kohlenstoffdioxid reagiert thermisch nicht mit Wasser bei 5 K, also erfordern die Reaktionswege zu Methantetrol Chemie im Nichtgleichgewicht.3,4) Genauer gesagt sind suprathermische Wasserstoffatome nötig, das heißt solche mit überschüssiger kinetischer Energie, die Aktivierungsbarrieren überwinden, um an Kohlenstoff-Sauerstoff-Doppelbindungen zu addieren. In interstellaren Eispartikeln schießt hochenergetische galaktische kosmische Strahlung die Wasserstoffatome aus der H-O-Bindung und liefert so die nötige kinetische Energie.Methantetrol ist kinetisch stabil, sobald es durch Sublimation aus den Eiskörnern in Sternentstehungsgebieten in die Gasphase des interstellaren Mediums freigesetzt wird. Das liegt an der hohen Aktivierungsenergie, die überschritten werden müsste, damit sich Methantetrol zu Kohlensäure und Wasser zersetzt. Diese Barriere verhindert, dass das Molekül der Erlenmeyer-Regel gehorcht – zumindest in der Gasphase bei Temperaturen, die die Barriere zur Zersetzung überschreiten, und Ultrahochvakuum, also typischerweise unter 10–13 bar.Die Stabilität einer Vebindung, die vier Hydroxygruppen an einem C-Atom hat, ist einzigartig im Weltraum und bei Simulationsexperimenten auf der Erde. Auf dem Weg zur Erde würde Methantetrol in der Erdatmosphäre wasser- und säurekatalysiert zersetzt. Der interstellare Raum ist ein natürliches Labor für die Synthese von Molekülen, die auf der Erde nicht existieren – zumindest normalerweise.<h2 type="main">Am Horizont</h2>In künftigen Studien potenziell präbiotischer Moleküle in terrestrischen und extraterrestrischen Umgebungen werden sich Gruppen mit Star Forming Regions befassen, also Gebieten, in denen Sterne entstehen.5) Dass sich Methantetrol im All bildet, deutet darauf hin, dass selbst instabile, sauerstoffreiche Moleküle als Intermediate für die Vorläufer des Lebens dienen können. Indem Methantetrol die Lücken zwischen einfachen Molekülen wie Wasser und Kohlendioxid und komplexeren organischen Stoffen schließt, hilft es, die komplexe Chemie vor der Biogenese zu verstehen.<h2 type="main">Synthese: H2O und CO2 werden zu Methantetrol</h2>Strahlen hochenergetische Teilchen auf ein tiefgekühltes Eis aus Wasser und CO2, spaltet sich H2O in ein Hydroxyl-Radikal (OH•) und ein hochenergetisches Wasserstoffatom (H•) (Abbildung). H• addiert an eine C=O-Doppelbindung eines Kohlendioxid-Moleküls und bildet so ein Hydroxycarbonyl-Radikal (HOCO•). Dieses reagiert dann mit dem benachbarten OH• zu Kohlensäure (H2CO3); Kohlensäure wurde auch als Monomer und Dimer im Experiment durch Photoionisation mit VUV-Licht nachgewiesen. Von H2CO3 im Eis zu Methantetrol (C(OH)4) fehlt formal ein Wassermolekül. Dieses spaltet sich ebenfalls in OH• und hochenergetisches H• und addiert an das Sauerstoffatom einer C=O-Doppelbindung – diesmal in der Kohlensäure. Dabei bildet sich das Trihydroxymethyl-Radikal (C(OH)3•); dieses reagiert mit OH• zum Zielmolekül: Methantetrol (C(OH)4).<img alt="image" src="https://eu-central-1.graphassets.com/Aype6X9u2QGewIgZKbFflz/cmg61n50na63q06ur87etkyjl">CO2 und H2O zersetzen sich unter kosmischer Strahlung und reagieren radikalisch zu Methantetrol.<h2 type="main">Der Autor</h2>Ralf I. Kaiser forscht seit dem Jahr 2002 an der University of Hawai’i at Manoa, derzeit als Professor für Chemie und Direktor des W.-M.-Keck-Forschungslabors für Astrochemie. Habilitiert hat er sich zuvor an der Universität Chemnitz und an der Academia Sinica in Taiwan. Kaiser promovierte im Jahr 1994 in Chemie an der Universität Münster.<img alt="image" src="https://eu-central-1.graphassets.com/Aype6X9u2QGewIgZKbFflz/cmg61n6qc93ni07rskqsmiqua"><ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20254153538-bibl-0001"><li xml:id="nadc20254153538-bib-0001">1 J. H. Marks, X. Bai, A. A. Nikolayev et al., Nat. Commun. 2025, 16, 6468</li><li xml:id="nadc20254153538-bib-0002">2 C. Zhu, H. Wang, I. Medvedkov et al., J. Phys. Chem. Lett. 2022, 13, 6875–6882</li><li xml:id="nadc20254153538-bib-0003">3 R. J. Morton, R. I. Kaiser, Planet. Space Sci. 2003, 51, 365–373</li><li xml:id="nadc20254153538-bib-0004">4 R. I. Kaiser, K. Roessler, Astrophys. J. 1998, 503, 959–975</li><li xml:id="nadc20254153538-bib-0005">5 A. M. Turner, R. I. Kaiser, Acc. Chem. Res. 2020, 53, 2791</li></ul>

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