14.10.2019

Rasanter Blick auf nanoskopische Aerosole

Reaktionen an der Oberfläche von Aerosolen mit hoher Auflösung verfolgt.

Vieles, was wir in der Natur beobachten, beginnt als elementare Reaktion von Atomen oder Molekülen auf den Einfluss von Strahlung. Einen dieser Prozesse hat das Team um Matthias Kling und Boris Bergues vom Labor für Attosekunden­physik LAP der Ludwig-Maximilians-Universität LMU und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik MPQ genauer unter die Lupe genommen. Die Laser­physiker haben erkundet, was passiert, wenn Moleküle, die an den Oberflächen von Nanoteilchen haften, mit Licht in Berührung kommen. Licht­induzierte molekulare Prozesse auf Nanoteilchen spielen eine wichtige Rolle in der Atmo­sphäre und können nicht zuletzt unser Klima beein­flussen.

Abb.: Ein intensiver Laser­puls trifft auf ein Nano­teilchen aus Glas und...
Abb.: Ein intensiver Laser­puls trifft auf ein Nano­teilchen aus Glas und interagiert dabei mit Molekülen an dessen Ober­fläche. Darauf­hin werden Wasserstoff­ionen herausgelöst. (Bild: A. Gelin)

Die Wissen­schaftler haben dazu eine neue Methode, die Reaktions-Nano­skopie, entwickelt. Mit ihrer Hilfe untersuchten sie, wie sich Ethanol- und Wasser­moleküle an der Oberfläche von Nano­teilchen aus Glas verhalten, wenn sie unter den Einfluss von starker Licht­strahlung geraten. Die Forscher schickten wenige Femtosekunden lange Laserpulse auf die kugel­förmigen Teilchen. Mit der Reaktions-Nanoskopie zeichneten sie erstmals in drei Dimensionen mit Nanometer-Auflösung auf, was bei dieser ultra­kurzen Interaktion passiert. „Wir beobachteten, wie sich vor allem Wasserstoff­teilchen aus den Molekülen an der Oberfläche der Nanoteilchen lösten und von der Oberfläche wegbeschleunigt wurden. Dieser Prozess bildet die Grundlage für die hohe räumliche Auflösung unserer Abbildungs­technik“, erklärt Boris Bergues. „Mit unserer Technologie sind wir insbesondere in der Lage, genau zu sehen an welcher Stelle des Nano­teilchens die Reaktions­ausbeute am höchsten war. Damit haben wir erstmals eine Reaktion von Molekülen an der Oberfläche von Aerosolen mit höchster räumlicher Auflösung verfolgt“, ergänzt Matthias Kling. 

Gerade in der Atmosphären­physik oder der Astrochemie finden solche Vorgänge konti­nuierlich statt. So trifft Licht in unserer Atmosphäre auf Aerosole und Moleküle auf ihrer Oberfläche. Das löst Reaktionen aus, die etwa für die Entwicklung unseres Klimas von Bedeutung sind. Im Universum finden ähnliche chemische Prozesse auf kleinsten Staubteilchen unter extremen Bedingungen statt. Hierbei entstehen und reagieren Moleküle - ein Prozess, der auch zur Synthese von Biomolekülen beitragen kann. Doch gerade im Bereich der Atmosphären­chemie könnten die Ergebnisse der Münchner Laser­physiker in naher Zukunft helfen, Prozesse die an Aerosolen ablaufen, besser zu verstehen, und sie vielleicht sogar eines Tages gewinn­bringend gegen den Klima­wandel einzusetzen.

MPQ / JOL

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