Ultraschnelle Dynamik in der Chemie

Die Formierung und die Trennung chemischer Bindungen sind die fundamentalsten Schritte im Verlauf chemischer Reaktionen. Daher ist die Erforschung der Dynamik dieser Prozesse in Echtzeit von großem Interesse für die Physik, Chemie und viele andere Wissenschaften. Ziel der vorgeschlagenen Experimente ist es, ein tieferes Verständnis der Dynamiken in Molekülen aus einer grundlegend neuen Position heraus zu erlangen. Das Projekt wird mittels laborbasierter Femtosekunden Röntgenabsorptions-Spektroskopie in ein neues Forschungsgebiet vorstoßen, in dem es sich Hohe Harmonische Lichtpulse mit Photonenenergien über 100 eV zu Nutze macht. Diese neuartige Methode kombiniert die Vorteile der Röntgenabsorptions-Spektroskopie mit denen von Femtosekunden Pump-Probe-basierten Techniken. Die Verwendung von Innerschalen-Übergängen erlaubt die Erforschung elektronischer und nuklearer Moleküldynamiken mit element-spezifischer Sensitivität für lokale elektronische Strukturen. In den vorgeschlagenen Experimenten werden Hohe Harmonische Pulse mit Photonenenergien jenseits der Schwefel 2p Kanten benutzt, was die Echtzeit-Untersuchung der Chemie von Schwefelverbindungen aus der Perspektive wohldefinierter Schwefelatome erlaubt. Die Untersuchungen in Berkeley und Graz werden sich auf Spin-Bahn-Wellenpakete und Vibrations- Wellenpakete in neutralen und Starkfeld-ionisierten Kohlenstoffdisulfid Molekülen konzentrieren. Darüber hinaus wird das photoinduzierte Aufbrechen der S-C Bindung im zyklischen Thiophen Molekül (Ring-Öffnungs-Reaktion) untersucht werden, dass eine besondere Relevanz für Energie und Umwelt bezogene Technologien aufweist. Die Einführung von kontrollierten Anregungen mit ultraviolettem Licht ist ein wichtiger Schritt in der Femtosekunden Röntgenabsorptions-Spektroskopie, der einzigartige Möglichkeiten eröffnen kann für die Erforschung von natürlich vorkommenden, durch Sonnenlicht ausgelösten, photochemischen Prozessen. Die Erforschung von fundamentalen Mechanismen in der Natur ist die Basis für unser Verständnis von komplexen Systemen und deren dynamischer Verhaltensweisen. Die Entwicklung neuartiger Methoden für die Erforschung ultraschneller photoinduzierter Dynamiken in Molekülen eröffnet neue Forschungsmöglichkeiten in der Physik, der Chemie,den Lebenswissenschaften, den Materialwissenschaften sowie in Energie und Umwelt bezogenen Technologien.

Ziel des Projektes war die Untersuchung von fotoinduzierten Dynamiken in organischen Molekülen mittels Femtosekunden Transienten-Absorptions-Spektroskopie (TXA). Der Hauptteil des Projektes widmete sich der Untersuchung von Ringöffnungsreaktionen, welche eine wichtige und fundamentale Rolle in der organischen Chemie einnehmen. Die verwendete TXA Methode, die mit Pump-Laserpulsen im infraroten (IR) sowie im ultravioletten (UV) Teil des Lichtspektrums und extrem-ultravioletten (XUV) Probe- Laserpulsen arbeitet, eröffnete dabei einen völlig neuen Zugang um solche Reaktion zu erforschen.So konnte gezeigt werden, dass die Ionisation von ringförmigen Selenophen Molekülen mittels eines extrem starken IR Laserpulses einen mehrstufigen Prozess initiiert, welcher mittels der TXA Methode vom Blickpunkt des Selenatoms verfolgt werden konnte. Nach der Präparation von angeregten, ionisierten Molekülen entstehen im Laufe der Reaktion sowohl freie Selenionen als auch stabile Moleküle in ringoffener Geometrie auf einer Zeitskala schneller als 200 fs. Darüber hinaus ermöglichten die vorgenommenen Modifikationen an der Apparatur die Untersuchung von Molekülen die bis dahin mittels TXA nicht zugänglich waren: Ferrocen, zum Beispiel, ist eine klassische metallorganische Verbindung bestehend aus einem Eisenatom zwischen zwei aromatischen Kohlenstoffringen. Es konnte gezeigt werden, dass die Ionisation mittels eines starken IR Laserpulses innerhalb von nur 250 fs zu einer Dissoziation in freie Eisen-Ionen und dem Verlust beider Ringsysteme führt. Darüber hinaus wurde in einem weiteren Experiment die komplexe, mehrstufige Dissoziation im 1,2- Dibromethan Molekül untersucht. Ein weiterer Teil des Projektes widmete sich der Untersuchung von durch UV Laserpulsen ausgelösten Reaktionen. Dazu wurden Experimente an Bromoform und Selenophen durchgeführt. Für Letzteres konnte gezeigt werden, dass im Gegensatz zur Stark-Feld Ionisation, nach der UV Anregung hauptsächlich neutrale Selenatome entstehen.Die neuen apparativen Entwicklungen im Laufe des Projektes eröffneten völlig neue Möglichkeiten für die TXA Spektroskopie. Dies erlaubte die Untersuchung großer organischer Moleküle über längere Zeit wie es bisher mit dieser Methode nicht möglich war. Des Weiteren konnte erstmalig eine komplexe chemische Ringöffnungsreaktion mittels TXA Spektroskopie untersucht werden. Diese neuen Ergebnisse erweckten das Interesse der einschlägigen wissenschaftlichen Gemeinschaft und erweitern unser Wissen über fotoinduzierte chemische Reaktionen.