19.03.2014

Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Ein Fahrtenschreiber photochemischer Reaktionen

Chemische Reaktionen in ihre Einzelschritte zu zerlegen und den Weg vom Ausgangsprodukt über die diversen Zwischenstufen bis zum Endprodukt exakt nachzuzeichnen: Das ist eine der Hauptaufgaben der Physikalischen Chemie. Einfach ist das nicht, da diese Reaktionen in der Regel in unvorstellbar kurzen Zeiträumen ablaufen. Die hier üblichen Größenordnungen liegen im Bereich von wenigen Femtosekunden – also millionstel Bruchteilen einer milliardstel Sekunde.

Bilder mit begrenztem Aussagewert

Zwar sind sogenannte Femtosekundenlaser in der Lage, in diese Größenordnungen vorzudringen und Licht in die Reaktionsabläufe zu bringen. Allerdings weisen die Bilder, die sie liefern, einen Mangel auf: Die Laser schaffen es oft nämlich nicht, überlappende Signale der Moleküle, ihrer Zwischenstufen und der jeweiligen Endprodukte voneinander zu trennen. In bestimmten Fällen liefern sie deshalb nur Bilder mit begrenztem Aussagewert.

Wissenschaftlern der Universität Würzburg ist es jetzt gelungen, eine Lösung für das Problem zu finden. Daran beteiligt waren die Professoren Tobias Brixner, Inhaber des Lehrstuhls für Physikalische Chemie I, und Bernd Engels vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie sowie Stefan Rützel, Meike Diekmann, Patrick Nürnberger und Christof Walter. Die Ergebnisse ihrer Arbeit stellen sie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift PNAS - Proceedings of the National Academy of Sciences vor.

Ein direktes Abbild der Umwandlungsprozesse

„Wir haben die sogenannte dreidimensionale optische Spektroskopie verwendet, die ein direktes Abbild davon liefert, welche Reaktanten in welche Produkte umgewandelt werden können“, sagt Tobias Brixner. Und Patrick Nürnberger zieht die Analogie: „Damit können wir den Ablauf der Reaktion vom Start zum Ziel quasi wie mit einem Fahrtenschreiber genau verfolgen.“

Ultraschnelle photochemische Reaktionen stehen im Mittelpunkt der Forschung von Tobias Brixner und Bernd Engels. Solche Reaktionen laufen ab, wenn Pflanzen bei Lichteinfall die Photosynthese starten. Ohne sie könnten Photovoltaikanlagen kein Licht in Strom umwandeln; sie sind aber auch dafür verantwortlich, dass Farbstoffe leuchten. Auch wenn es darum geht, Daten mit Hilfe von Licht zu verarbeiten und zu speichern, versprechen photochemische Reaktionen neue Perspektiven.

Ein wichtiger Schritt zur Reaktionskontrolle

„Um diese chemischen Reaktionen auf einer molekularen Ebene zu verstehen und – wenn möglich – aktiv zu kontrollieren, ist es notwendig, die vielen einzelnen Schritte, aus denen chemische Reaktionen üblicherweise bestehen, in all ihren Details zu kennen“, erklärt Brixner. Diese Möglichkeit biete nun die „multidimensionale Spektroskopie“, die das Würzburger Team erstmals für diesen Zweck angewendet hat.

Originalpublikation
Multidimensional spectroscopy of photoreactivity. Stefan Ruetzel, Meike Diekmann, Patrick Nuernberger, Christof Walter, Bernd Engels, and Tobias Brixner, PNAS Early Edition, www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1323792111

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