Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Auf den Spuren photochemischer Reaktionen

05.04.2013
Trifft Licht auf organische Moleküle, setzt es Prozesse in Gang, die für die Wissenschaft von großem Interesse sind. Allerdings lassen sich die einzelnen Reaktionsstufen nur äußerst schwer identifizieren. Einem Team der Uni Würzburg ist das jetzt geglückt – mit Hilfe eines trickreichen Ansatzes.

Das ist der Traum vermutlich eines jeden Chemikers: Chemische Reaktionen auf einer molekularen Ebene aktiv zu kontrollieren, chemische Bindungen ganz nach Wunsch zu brechen oder zu knüpfen und auf diese Weise Substanzen mit maßgeschneiderten Eigenschaften zu produzieren.


Eine Sequenz ultrakurzer Laserpulse (links) führt zur chemischen Reaktion eines Merocyanin-Farbstoffs (Mitte), die detailliert mittels mehrdimensionaler Spektroskopie analysiert werden kann (rechts).
Grafik: Martin Kullmann, Universität Würzburg

Das allerdings erfordert zunächst ein möglichst exaktes Wissen über die vielen einzelnen Schritte, aus denen chemische Reaktionen üblicherweise bestehen. Wissen, das in vielen Bereichen noch fehlt und das auch nicht so einfach zu bekommen ist.

Jetzt allerdings haben Stefan Rützel und weitere Mitglieder der Arbeitsgruppe von Professor Tobias Brixner, dem Inhaber des Lehrstuhls für Physikalische Chemie I der Universität Würzburg, eine Technik entwickelt, mit der sich zumindest Reaktionsvorstufen zweifelsfrei identifizieren lassen.

Die renommierte Fachzeitschrift Physical Review Letters berichtet darüber in ihrer neuesten Ausgabe. Wegen der besonderen Bedeutung für die Forschung haben die Herausgeber der Zeitschrift die Würzburger Arbeit sogar in der Synopsis section of Physics (Opens external link in new windowphysics.aps.org) als Highlight hervorgehoben.

Forschung im Femtosekundenbereich

Zwei Voraussetzungen müssen erfüllt sein, wenn die Geheimnisse chemischer Reaktionen auf einer atomaren Größenordnung offen gelegt werden sollen: Geschwindigkeit und Geschicklichkeit. Denn auch wenn photochemische Reaktionen häufig über mehrere Zwischenprodukte verlaufen, dauern sie in der Regel doch nur unvorstellbar wenige Femtosekunden – also millionstel Bruchteile einer milliardstel Sekunde.

Mit ebenso extrem kurzen Laserpulsen aus Femtosekundenlasern ist es den Wissenschaftlern dennoch möglich, „Licht“ in die chemischen Vorgänge zu bringen. Dabei werden die Moleküle über einen bestimmten Zeitraum hinweg mit dem Laserlicht sozusagen „abgetastet“; man erhält eine Art Abbild der Dynamik der Reaktionsprozesse. Diese verbreitete Technik ist unter dem Stichwort „Anrege-Abfrage-Spektroskopie“ bekannt.

Ein Laserpuls im Doppelpack

„Bei der Anrege-Abfrage-Spektroskopie setzt ein Laserpuls eine bestimmte Reaktion in Gang. Ein anschließender zweiter Laserpuls untersucht dann die durch den ersten Puls hervorgerufene Dynamik“, erklärt Tobias Brixner die Arbeitsweise dieser Technik. Auf diese Weise ließen sich unter anderem charakteristische Lebenszeiten angeregter Zustände bestimmen und konkurrierende Reaktionsverläufe identifizieren.

Ein Problem kann diese Technik allerdings auch nicht lösen: „In einem Anrege-Abfrage-Experiment ist es äußerst schwierig, den speziellen Zustand eines Moleküls zu identifizieren, der am Anfang einer Reaktion steht“, erklärt Brixner. Das liege daran, dass der Laserpuls eine Vielzahl solcher Zustände erzeuge.

Geschickter Versuchsaufbau

Mit einer geschickten Versuchsanordnung haben es Stefan Rützel und weitere Mitglieder von Brixners Arbeitsgruppe jetzt jedoch geschafft, diese Reaktionsvorstufen zweifelsfrei zu identifizieren. Sie haben dafür Laserpulse unterschiedlicher Wellenlängen aus dem sichtbaren Bereich miteinander kombiniert und deren Korrelation zeitaufgelöst untersucht. Auf diese Weise erhielten sie Informationen darüber, ob bestimmte elektronische Übergänge in den Start- und Schlusszuständen quantenmechanisch miteinander verbunden sind. Oder in anderen Worten: Ob ein bestimmter elektronischer Zustand der Vorläufer eines anderen ist.

In ihrem Experiment hat die Arbeitsgruppe Merocyanin untersucht, ein Molekül, das in zwei unterschiedlichen räumlichen Anordnungen, sogenannten Konformationen, auftritt. Dabei konnten sie zeigen, dass nur eine Form sich nach der Anregung mit Licht in ein positiv geladenes Ion, ein Kation, verwandelte. Mit der von ihnen entwickelten Technik war es also möglich, den speziellen Vorläufer zu identifizieren, der angeregt werden muss, damit es zur gewünschten Reaktion kommt.

Interessant für Photovoltaik und Datenverarbeitung

Diese Technik, Reaktionswege über elektronische Zustände zu verfolgen, könnte auf die Untersuchung vieler chemischer Prozesse übertragbar sein, hoffen die Wissenschaftler. Potenzielle Einsatzgebiete sind beispielsweise photovoltaische Prozesse oder das Speichern und Überschreiben von Daten in optischen Speichermedien.

Die Studie wurde durchgeführt im Rahmen der DFG-finanzierten Forschergruppe „Light-Induced Dynamics in Molecular Aggregates“ (FOR 1809).

Tracing the Steps of Photoinduced Chemical Reactions in Organic Molecules by Coherent Two-Dimensional Electronic Spectroscopy Using Triggered Exchange. Stefan Ruetzel, Martin Kullmann, Johannes Buback, Patrick Nuernberger, and Tobias Brixner. Physical Review Letters, DOI:10.1103/PhysRevLett.110.148305

Kontakt

Prof. Dr. Tobias Brixner, T: (0931) 31-86330
brixner@phys-chemie.uni-wuerzburg.de

Gunnar Bartsch | Uni Würzburg
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Auf der molekularen Streckbank
24.02.2017 | Technische Universität München

nachricht Sicherungskopie im Zentralhirn: Wie Fruchtfliegen ein Ortsgedächtnis bilden
24.02.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie