Von Uta Bilow
22. November 2006 Wenn der experimentelle Beweis eines Postulats gelingt, empfinden Forscher meist eine große Freude. Dies gilt ganz besonders für Behauptungen, die zwar schon seit langer Zeit existieren, auf deren Beleg die Fachwelt aber bis dato gewartet hat. Deshalb werden Ambarish Ghosh und Peer Fischer von der Harvard University in Massachusetts derzeit recht freudig gestimmt sein, ist es den beiden Wissenschaftlern doch gelungen, eine These zu bestätigen, die Augustine Jean Fresnel bereits vor 180 Jahren aufgestellt hat. Der berühmte französische Physiker hatte einst behauptet, daß eine Lösung aus sogenannten chiralen oder händigen Molekülen einen linear polarisierten Lichtstrahl in zwei Teile aufspaltet. Und tatsächlich haben die amerikanischen Physikochemiker diesen von Mineralien wie Kalzit bekannten optischen Effekt nun an einer chiralen Limonen-Lösung beobachtet.
Limonen ist eine Verbindung, deren Moleküle in zwei zueinander spiegelsymmetrischen Formen existieren. Diese sind wie die rechte und linke Hand beschaffen. Solche chirale Substanzen zeigen ungewöhnliche Eigenschaften wie die optische Aktivität. Werden händige Moleküle beispielsweise mit linear polarisiertem Licht bestrahlt, so drehen sie die Schwingungsebene der Strahlung in die eine oder andere Richtung. Der Drehwinkel, den man typischerweise mit einem Polarimeter bestimmt, wird in der Analytik unter anderem dazu verwendet, den Zuckergehalt in einer Lösung zu ermitteln.
Optischer Effekt der Doppelbrechung
Bei händigen Molekülen sollte Fresnels These zufolge aber noch ein weiterer optischer Effekt auftreten, und zwar die Doppelbrechung. Sie ist zu beobachten, wenn zirkular polarisiertes Licht ins Spiel kommt - also Strahlung, deren Schwingungsebene sich rechtsherum beziehungsweise linksherum dreht. Zirkular polarisierte Lichtwellen werden beim Übergang etwa von Luft in ein doppelbrechendes Medium abhängig von ihrem Drehsinn unterschiedlich stark gebrochen. Es existiert sozusagen für jede Polarisationsrichtung eine Brechzahl. Das führt letztendlich dazu, daß ein einfallender linear polarisierter Lichtstrahl, den man sich als Überlagerung von rechts- und linksdrehendem zirkular polarisiertem Licht vorstellen kann, in seine beiden zirkularen Komponenten getrennt wird.
Den Effekt der Doppelbrechung haben Ghosh und Fischer nun bei der chiralen Verbindung Limonen untersucht und auch tatsächlich gefunden. Allerdings war das kein leichtes Unterfangen, denn im Vergleich zu der klassischen Doppelbrechung ist dieser Effekt bei einer chiralen Lösung nur schwer nachzuweisen. Der Winkel zwischen den beiden Strahlen ist winzig und beträgt nur etwa den zehntausendsten Teil eines Grads. Deshalb haben Ghosh und Fischer ihren linear polarisierten Lichtstrahl durch eine ganze Batterie von prismenförmigen Glasgefäßen, gefüllt mit Limonen-Lösung, geleitet (“Physical Review Letters“, Bd. 97, Nr. 173002). Das von einem Laser stammende linear polarisierte Licht wurde daher viele Male gebrochen, was den ursprünglich schwachen Effekt so verstärkte, daß schließlich aus dem zwanzigsten Gefäß deutlich sichtbar zwei Strahlen traten, die zwar die gleiche Intensität hatten, aber entgegengesetzten Drehsinn aufwiesen. Damit war die These Fresnels eindeutig bewiesen.
Nach Ansicht der amerikanischen Forscher sollte sich auf der Grundlage ihrer Beobachtungen ein neuartiges Analyseverfahren zur Bestimmung der optischen Aktivität einer Lösung entwickeln lassen. Herkömmliche Polarimeter benötigen vergleichsweise große Flüssigkeitsmengen. Die Doppelbrechung läßt sich dagegen auch an kleinen Volumina beobachten. Entscheidend ist nur, daß eine gewisse Zahl von Grenzflächen vorhanden ist, die den Effekt entsprechend verstärken. Daher können auch kleine Flüssigkeitsmengen untersucht werden, wie sie beispielsweise in der Mikrofluidik verwendet werden.
Text: F.A.Z.
