Forschungsbericht 2019 - Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Molekülreaktionen auf Nanopartikeln

Autoren
Kling, Matthias; Bergues, Boris; Rupp, Philipp
Abteilungen
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
Zusammenfassung
Licht-Materie-Wechselwirkungen bestimmen in unserem Alltag fundamentale Vorgänge: von der Lichtstreuung an Molekülen und Partikeln in der Atmosphäre, die dem Himmel seine Farbe verleiht, bis hin zu lebenswichtigen biologischen Prozessen wie der Photosynthese. Sie alle basieren auf ultraschnellen Ladungsbewegungen im Femto- bis Attosekundenbereich, das sind Millionstel bis Milliardstel einer Milliardstel Sekunde. Um diese Prozesse zu studieren, schaffen wir Lichtpulse, die ebenso kurz sind. Jetzt haben wir sie benutzt, um an Nanoteilchen Reaktionen auszulösen und diese zu erforschen.    

In unseren Experimenten haben wir die Wechselwirkung von Licht mit Molekülen auf der Oberfläche von winzigen Kügelchen untersucht. Hierfür haben wir ein neuartiges Instrument entwickelt: das Reaktionsnanoskop. Damit können wir erstmals in drei Dimensionen aufzeichnen, was bei ultrakurzen, lichtinduzierten Reaktionen passiert. Genauer gesagt, ermöglicht uns das Reaktionsnanoskop, Produkte der Reaktionen auf einer Nanoskala zu bestimmen und Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung der Teilchenoberfläche sowie die photochemischen Reaktionen zu schließen. Außerdem – und hierin liegt der Clou der Technik – können wir gleichzeitig auch den Entstehungsort der Reaktionsprodukte an der Oberfläche mit einer Genauigkeit von Nanometern erkennen. Das Abbildungsprinzip, das der Reaktionsnanoskopie zugrunde liegt, konnte mithilfe numerischer Simulationen charakterisiert werden und sollte auch für die Untersuchung von komplexeren Formen von Aerosolen in ähnlicher Weise anwendbar sein.

Das Versuchsobjekt unseres Experiments ist ein Nanoteilchen aus Glas (Siliziumdioxid). Die kugelförmigen Teilchen haben in verschiedenen Experimenten Durchmesser von 100 und 300 Nanometern und besitzen damit ein 500stel des Durchmessers eines menschlichen Haares. An der Oberfläche dieser Glaskugeln platzieren wir Moleküle wie Wasser oder Ethanol (Abbildung 1). Anschließend bestrahlen wir die Nanoteilchen mit kurzen Laserpulsen, wodurch die Moleküle sich aufspalten und ionisiert werden. Wir detektieren die Endgeschwindigkeit der einzelnen Molekülfragmente mithilfe eines räumlich und zeitlich auflösenden Detektors und können so erkennen, welche Photoreaktionen auf der Oberfläche ablaufen. Insbesondere können wir bestimmen, wie diese Reaktionen von der lokalen Intensität des Lichtfeldes abhängen und den zeitlichen Verlauf der Licht-Nanoteilchen-Wechselwirkung rekonstruieren.

Aus den Experimenten haben wir gelernt, dass das Laserlicht innerhalb weniger Femtosekunden aus dem Nanoteilchen Elektronen herauslöst und an der Oberfläche positive Ladungen zurücklässt, deren Verteilung charakteristisch für die Polarisation des Lichts sowie Größe und Material der Nanokugel ist (Abbildung 2). Gleichzeitig ist das Laserlicht intensiv genug, um Moleküle an der Oberfläche aufzuspalten, ein Prozess bei dem auch Protonen emittiert werden, die von der positiv geladenen Oberfläche abgestoßen werden. Über die Geschwindigkeitsverteilung der detektierten Protonen erhalten wir also nicht nur Information über die Aufspaltung der Moleküle, sondern auch über die räumliche Variation der Lichtintensität an der Oberfläche des Nanoteilchens. Unsere Technik eröffnet neue Wege, in Zukunft chemische Reaktionen gezielter zu steuern und zu kontrollieren.

Auch in der Atmosphäre finden lichtinduzierte Reaktionen an aerosolierten Nanoteilchen kontinuierlich statt. Die Dynamik dieser Reaktionen und ihre Rolle für Prozesse in der Atmosphäre ist potenziell klimarelevant. Doch räumlich aufgelöste Messungen an einzelnen aerosolierten Nanoteilchen stellen eine große Herausforderung dar. Mit unserer Forschungsarbeit ist es gelungen, diese Dynamik besser zu verstehen. Darüber hinaus könnte unsere Methode zukünftig dabei helfen, katalytische Reaktionen von Molekülen zu untersuchen, um beispielsweise unerwünschte, gesundheitsschädliche Stoffe in der Atmosphäre mittels Nanoteilchen schneller abzubauen.

Literaturhinweise

1.
Rupp, P., Burger, C., Kling, N.G. et al. 
Few-cycle laser driven reaction nanoscopy on aerosolized silica nanoparticles.
Nature Communications 10, 4655 (2019)

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