Spektroskopie

Mikrosolvatation & Mikroaggregation


Wir erforschen Mikrosolvatation und Mikroaggregation von molekularen Clustern in Helium-Nanotropfen mit Hilfe von hochauflösender Infrarotspektroskopie. Heliumtropfen mit einer durchschnittlichen Größe von einigen tausend He-Atomen werden dabei in einer Überschallexpansion von vorgekühltem (~16K) gasförmigen Helium durch eine Düse mit 5 µm Durchmesser erzeugt. In einer geteilten zweiten Kammer wird der suprafluide Helium Tropfen bei 0.37K schrittweise mit mehreren Molekülen dotiert. Jedes Molekül wird vor der Aggregation durch Verdampfen von He-Atomen auf 0.37K gekühlt.

Der He-Tropfenstrahl wird mit einem Infrarot (IR)-Laser überlagert. Die Absorption eines Infrarotphotons mit anschließender Kühlung auf den Grundzustand führt zur Verdunstung von mehreren hundert Heliumatomen und damit zu einer Verkleinerung des Signals im Massenspektrum aufgrund des reduzierten Tropfendurchmessers. Hinter der Wechselwirkungszone mit dem IR-Laser werden die Nanotropfen von einem Quadrupol-Massenspektrometer detektiert.

Experimentell benutzen wir zwei Aufbauten: den Bochumer He-Nanotropfen-Versuchsaufbau in Kombination mit einem Optisch-Parametrischen-Oszillator (OPO) mit hoher Ausgangsleistung (einige Watt) im Wellenlängenbereich 2600-3200 cm-1 oder Quantenkaskadenlasern mit einer mittleren Ausgangsleistung (einige 100 mW) im Bereich von 1000-1400 cm-1. Eine zweite Bochumer Anlage ist an der Radboud Universität Nijmegen an den Freie-Elektronen-Laser FELIX angeschlossen, der den Frequenzbereich von 80-3000 cm-1 mit hoher mittlerer Leistung abdeckt, die mit anderen Strahlungsquellen nicht zu erreichen ist.

Heliumtropfen bieten ideale Bedingungen für Studien zur ultrakalten Chemie. Wie ein „Staubsauger“ nehmen sie mehrere Moleküle aus dem Vakuum auf und kühlen diese durch Verdampfen von Heliumatomen auf 0.37K ab. Die Tropfengröße von typischerweise einigen nm erlaubt auch die Untersuchung von Molekülen mit geringem Dampfdruck (z.B. Aminosäuren). Die Zeit zum Abkühlen eines Moleküls ist dabei kürzer als die Zeitskala für die Bildung von Aggregaten durch Migration im Tropfen, sowie die Zeitdauer zwischen einzelnen Aufnahmeprozessen. Daher können vorgekühlte Monomere sequentiell aggregieren, was zu Nicht-Gleichgewichtsstrukturen führen kann, die bei höheren Temperaturen nicht nachweisbar sind. Heliumtropfen bieten eine „sanfte“ Matrixumgebung, die durch ihre suprafluiden Eigenschaften im Vergleich zur Gasphase nur kleine Frequenzverschiebungen (weniger als 1 cm-1) hervorruft. Damit ermöglichen sie es vollständig neue Reaktions- und Aggregationsmechanismen bei ultrakalten Temperaturen zu erforschen.


Wichtigste Publikationen

Gruenerpfeil"High resolution spectroscopy of NO in helium droplets: A prototype for open shell molecular interactions in a quantum solvent", K. von Haeften, A. Metzelthin, S. Rudolph, V. Staemmler, M. Havenith, Phys. Rev. Lett. 95, 21531 (2005).

Gruenerpfeil
"Probing phonon-rotation coupling in Helium nanodroplets: IR spectroscopy of CO and its isotopomers", K. von Haeften, S. Rudolph, I. Simanowski, M. Havenith, R.E. Zillich, K.B. Whaley, Phys. Rev. B 73, 054502-1 (2006).

Gruenerpfeil
"Observation of ro-vibrational transitions of HCl, (HCl)2 and H2O-HCl in liquid He nanodroplets", M. Ortlieb, Ö. Birer, M. Letzner, G.W. Schwaab, M. Havenith, J. Phys. Chem. A 111 (49), 12192 (2007).

Gruenerpfeil"Aggregation induced dissociation of HCl (H2O)4 below 1 K: The smallest droplet of acid", A. Gutberlet, G. Schwaab, Ö. Birer, M. Masia, A. Kaczmarek, H. Forbert, M. Havenith, D. Marx, Science, 324, 1545-1548 (2009).

Gruenerpfeil"High resolution spectroscopy of HCl-water clusters: IR bands of undissociated and dissociated clusters", M. Letzner, S. Grün, D. Habig, K. Hanke, T. Endres, P. Nieto, G. Schwaab, Ł. Walewski, M. Wollenhaupt, H. Forbert, D. Marx, M. Havenith, J. Chem. Phys. 139, 154304/1 (2013).

Gruenerpfeil"Understanding the microsolvation of radicals: Infrared spectroscopy of benzyl radical water clusters", D. Leicht, M. Kaufmann, R. Schwan, J. Schäfer, G. Schwaab, M. Havenith, J. Chem. Phys. 145, 204305/1-8 (2016).

Gruenerpfeil"Infrared spectroscopy of the v2 band of the water monomer and small water clusters (H2O)n = 2, 3, 4 in helium droplets", R. Schwan, M. Kaufmann, D. Leicht, G. Schwaab, M. Havenith, Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 24063 (2016).

Gruenerpfeil"Understanding the ionic liquid [NC 4111][NTf 2] from individual building blocks: An IR-spectroscopic study", K. Hanke, M. Kaufmann, G. Schwaab, M. Havenith, C.T. Wolke, O. Gorlova, M.A. Johnson, K. Bishnu, W. Sander, E. Sanchez-Garcia, Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 8518 (2015).