Einzelne Moleküle im Griff der Femtosekundenpulse

Forscher kombinieren Kurzzeitspektroskopie mit Fluoreszenzmikroskopie - Methode soll zu besseren Nanostrukturen, organischen Solarzellen und lichtaktiven Proteinen führen.

Wer die Ausbeute chemischer Prozesse oder die Effizienz organischer Solarzellen steigern will, sollte möglichst über die rasanten Reaktionen in den verwendeten Substanzen auf molekularer Ebene Bescheid wissen. Die Kurzzeitspektroskopie hat zum "Filmen" chemischer Reaktionen bereits viel beigetragen. Einen Schritt weiter geht nun ein internationales Forscherteam, das mit Femtosekundenpulsen und Fluoreszenzmikroskopie kohärente Anregungen in einem einzigen Molekül kontrollieren und beobachten können.

"Diese Experimente vereinen zwei wertvolle, experimentelle Techniken der letzten Jahrzehnte: die Kurzzeitspektroskopie und die Ein-Molekül-Detektion", berichten Daan Brinks vom Institut de Ciencies Fotoniques in Barcelona und seine Kollegen von der Universidad de Buenos Aires und dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz. Für die neue Kombinations-Emthode lagerten sie zuerst ihr Testobjekt – das komplexe, lichtstabile Makromolekül Dinaphtoquaterrylenebis(dicarboximid), kurz DNQDI – in einen 40 Nanometer dünnen Kunststofffilm aus Polymethylmethacrylat (PMMA) ein. So fixiert ließen sich einzelne Moleküle mit einem Fluoreszenz-Mikroskop beobachten.

Darauf regten sie ein einzelnes Moleküls mit exakt fokussierten Laserblitzen mit bis zu 15 Femtosekunden Länge und Wellenlängen um 676 Nanometer an. Dabei variierten sie sowohl die Form der Laserpulse als auch deren zeitliche Abfolge. Zeit und Phase der Laserpulse stimmten sie genau auf die resonanten Übergänge des eingebetteten Moleküls ab, um es gezielt zur Fluoreszenz zu stimulieren. Die Intensität des kohärent angeregten Fluoreszenzlichts eines einzigen Moleküls konnte mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung über das verwendete Epi-Konfokal-Mikroskop aufgezeichnet werden.

Im Unterschied zu vielen anderen Experimenten an Molekülen mit Femtosekundenpulsen, konnten Brinks und Kollegen ihre Versuche unter Normalbedingungen durchführen. Damit steht ein weitere Methode zur Verfügung, um die Dynamik von lichtinduzierten Prozesse auf Molekülebene genauer zu untersuchen. Weitere Versuche müssen noch zeigen, ob das Verfahren ohne weiteres auf andere Substanzen übertragbar ist und sich der Einfluss der umgebenden Kunststoffmatrix in engen Grenzen hält. Gelingt dieser Schritt, könnte es zur Optimierung chemischer Reaktionen, für die Entwicklung von organischen Solarzellen oder der künstlichen Photosynthese wichtige und neue Hinweise liefern.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Daan Brinks et al.: Visualizing and controlling vibrational wave packets of single molecules, Nature 465, 905 (2010)
  dx.doi.org/10.1038/nature09110
• ICFO - Institute of Photonic Sciences, Barcelona:
  www.icfo.es
• Max Planck Institut für Polymerforschung, Mainz:
  www.mpip-mainz.mpg.de
• Nanomaterials Photonics Group, Department of Physics, Universidad de Buenos Aires:
nanomaterials-photonics.df.uba.ar

Weiterführende Literatur:

• Bandrauk, A. D., Fujimura, Y. & Gordon, R. J.: Laser Control and Manipulation of Molecules, Oxford Univ. Press, 2002
• Dantus, M. & Lozovoy, V. V.: Experimental coherent laser control of physicochemical processes. Chem. Rev. 104, 1813–1859 (2004)
• Zewail, A. H.: Femtochemistry: atomic-scale dynamics of the chemical bond. J. Phys. Chem. A 104, 5660–5694 (2000) 

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