Photoreaktionen Schritt für Schritt
Mit Hilfe multidimensionaler Spektroskopie können Forscher einzelne Zwischenschritte bei photochemischen Reaktionen verfolgen.
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 im Bereich von wenigen Femtosekunden ablaufen. Zwar sind Femtosekundenlaser in der Lage, in diese Größenordnungen vorzudringen. 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.
Abb.: Dreidimensionales Spektrum, das ähnlich einem „Fahrtenschreiber“ den chemischen Reaktionsweg vom roten Startmolekül zum blauen Endmolekül aufzeichnet. (Bild: S. Rützel, Univ. Würzburg)
Wissenschaftlern der Universität Würzburg ist es jetzt gelungen, eine Lösung für das Problem zu finden. Daran beteiligt waren die 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. „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 sind bei der Photosynthese und in Photovoltaikanlagen von Bedeutung; 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.
„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.
U. Würzburg / DE
