Mikrosolvatation & Mikroaggregation

Physikalische Chemie II - Laserspektroskopie und Biophotonik

Mikrosolvatation & Mikroaggregation

Wir erforschen Mikrosolvatation und Mikroaggregation von molekularen Clustern in Helium-Nanotropfen mit Hilfe von hochauflösender Infrarotspektroskopie. Experimentell benutzen wir den Bochumer He-Nanotropfen-Versuchsaufbau in Kombination mit einem selbstgebauten cw- Optischen Parametrischen Oszillator (OPO) mit einer Frequenzabdeckung von 2600 – 3400 cm-1, hoher Ausgangsleistung (bis zu 2.7 Watt) und hoher Auflösung (0.0001 cm-1).

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 0.37 K gekühlt.

Der He-Tropfenstrahl wird mit dem 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.

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 0.37 K 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.