Im Mittelpunkt der Arbeit steht eine grundlegende Frage der Astrochemie: Wie können im kalten Weltraum komplexe Moleküle entstehen? Im interstellaren Raum herrschen extrem niedrige Temperaturen und sehr geringe Teilchendichten, unter denen klassische chemische Reaktionen kaum zu erwarten wären. Dennoch entstehen dort kontinuierlich neue Moleküle, häufig ausgelöst durch geladene Teilchen, sogenannte Ionen.
Um solche Prozesse unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen, nutzt die Forschungsgruppe um Elisabeth Gruber sogenannte Helium-Nanotröpfchen. Diese wirken wie winzige „Nanolabore“: Sie kühlen die eingeschlossenen Teilchen auf etwa 0,4 Kelvin ab und nehmen gleichzeitig die bei chemischen Reaktionen freiwerdende Energie auf. Dadurch können ansonsten kurzlebige Reaktionsprodukte stabilisiert und spektroskopisch untersucht werden.
In der Studie wurde ein Reaktionsweg von Acetylen (C₂H₂), ein im interstellaren Raum häufig vorkommendes Molekül, untersucht. Ein ionisiertes Acetylen-Molekül reagiert dabei schrittweise mit weiteren Acetylen-Molekülen. So wächst ein Kohlenstoffgerüst heran, das sich schließlich zu einem geschlossenen Ring umordnet – dem Benzol-Kation. „Spannend ist, dass diese Reaktion ohne Energiebarrieren abläuft und daher auch bei sehr niedrigen Temperaturen effizient ist“, erklärt Milan Ončák, der den Reaktionsweg mithilfe quantenchemischer Rechnungen detailliert modelliert hat.
Der experimentelle Nachweis gelang über Spektroskopie. „Wir messen, bei welchen Wellenlängen das Molekül Licht absorbiert. Dieses Spektrum ist charakteristisch für die Struktur des Ions – vergleichbar mit einem Fingerabdruck“, erklärt Florian Foitzik, Erstautor der Studie. Der direkte Vergleich mit Referenzdaten zeigt eindeutig die Bildung des Benzol-Radikalkations.
Die Ergebnisse zeigen damit einen Reaktionsweg, über den der erste aromatische Ring unter Bedingungen entstehen kann, die jenen im interstellaren Medium sehr nahekommen. Dieses Molekül ist für Astrochemiker von besonderem Interesse, da es als hoch reaktiver Ausgangspunkt für noch größere aromatische Moleküle gilt. Die Studie liefert damit einen wichtigen Baustein für das Verständnis, wie sich aus einfachen Molekülen im Weltall nach und nach komplexe organische Strukturen entwickeln können.
Publikation: Foitzik, F., Richardson, V., Maurice, C., Schöpfer, G., Ončák, M., Gruber, E. Cryogenic Bottom-up Formation of the Benzene Cation from Acetylene in Helium Nanodroplets. J. Am. Chem. Soc. 2026. https://doi.org/10.1021/jacs.6c04278