Fluor: Alltagschemie mit zwei Gesichtern

Fluor und fluorierte Verbindungen begegnen uns ständig im Alltag: Sie steigern die Wirksamkeit von Medikamenten, verbessern die Leistung von Handyakkus und schützen als Fluorid in Zahnpasta vor Karies. Gleichzeitig gelten bestimmte per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) als zunehmende Umwelt- und Gesundheitsbelastung.

Um die vielfältigen Wirkungen dieser Verbindungen besser zu verstehen, ist eine grundlegende Erforschung der fluor-spezifischen Wechselwirkungen notwendig. Genau das ist das Ziel des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1349 „Fluor-Spezifische Wechselwirkungen“, der seit 2019 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird.

Ein außergewöhnliches Molekül – und ein überraschender Effekt

Im Rahmen dieses SFB haben Forschungsteams um Prof. Dr. Sebastian Hasenstab-Riedel und Prof. Dr. Beate Paulus von der Freien Universität Berlin sowie Prof. Dr. Jean Christoph Tremblay von der CNRS-Université de Lorraine eine besondere Entdeckung gemacht. Bereits vor über zehn Jahren gelang es Sebastian Hasenstab-Riedel und seinem Team, ein ungewöhnliches Molekül in einem Neonkristall bei −270 °C zu stabilisieren: ein Anion, das nur aus fünf dicht gepackten, hochgeladenen Fluoratomen besteht. Ein solches Molekül sollte eigentlich nicht existieren – und doch erwies es sich als erstaunlich stabil.

Um zu verstehen, was dieses Molekül zusammenhält, führten Mitarbeitende von Beate Paulus zusammen mit Jean Christoph Tremblay umfangeiche Berechnungen und quantenmechanische Simulationen durch. Dabei stießen sie auf einen ungewöhnlichen Effekt, der bisher hauptsächlich für den sehr leichten Wasserstoff beobachtet wurde, aber für das relativ schwere Fluoratom als unmöglich galt. Die Forschenden wiesen nach, dass auch Fluoratome quantenmechanisch Tunneln können – wodurch ein Molekül ohne weiteres zwischen zwei Zuständen wechselt, die eigentlich durch eine Energiebarriere voneinander getrennt sind.

Paradigmenwechsel in der Molekülphysik

„Tunneln“ – also der quantenmechanische Effekt, bei dem ein Teilchen eine Energiebarriere durchquert, ohne sie klassisch zu überwinden – war bislang vor allem von sehr leichten Elementen wie Wasserstoff bekannt. Fluor hingegen galt als zu schwer. In der Fachwelt war sogar von einer „Fluor-Mauer“ des Tunnelns die Rede.

Doch die neuen Ergebnisse zeigen: Unter bestimmten Bedingungen – etwa bei sehr speziellen Bindungsverhältnissen und auf engem Raum – kann auch das Fluoratom tunneln. Damit ist ein Paradigmenwechsel eingeläutet, der über das bisherige Verständnis chemischer Bindungen hinausgeht.

Die Kombination aus besonderen Bindungsverhältnissen in Molekülen die auf sehr kleinem Raum eingefangen werden, ermöglicht offenbar auch das Tunneln von Atomen, die schwerer als Sauerstoff sind.

„Die Studienergebnisse erweitern nicht nur unser Verständnis chemischer Bindungen in fluorierten Verbindungen“, erklärt Erstautor Dr. Carsten Müller von der Freien Universität Berlin. „Sie geben uns auch neue Werkzeuge an die Hand, um molekulare Reaktionen gezielt zu steuern – sei es in der Materialforschung, der Medizin oder beim Design neuer Technologien.“

Originalpublikation:
Müller, C., Bader, F., Redeker, F. A., Conrad, L., Beckers, H., Paulus, B., Riedel, S., & Tremblay, J. C. (2025). Experimental observation of quantum mechanical fluorine tunnelling. Nature Communications, 16, 4027. DOI: 10.1038/s41467-025-4027-5

Quelle: Freie Universität Berlin