Dekoration von Fullerenen mit Atomen und kleinen Molekülen

Experimentelle Untersuchungen zur Physisorption von Metallatomen und verschiedenen kleinen Molekülen auf nanometergroßen Modelloberflächen sind geplant. Dabei kommen kürzlich entwickelte Instrumente und Techniken zum Einsatz, deren Möglichkeiten durch einen Mikrowellenhohlraumresonator und ein Rastertunnelmikroskop noch zusätzlich erweitert werden. Quantenchemische Rechnungen und Simulationen auf höchstem Niveau werden in enger Zusammenarbeit von Theoriegruppen durchgeführt und mit den experimentellen Resultaten verglichen. Dies ist für die Interpretation der molekularen Prozesse unabdingbar. Physisorption ist ein weit verbreitetes Phänomen und taucht in jedem fest/flüssigen bzw. fest/gasförmigen System auf. Im Gegensatz zur Chemisorption wird die elektronische Struktur der Atome bzw. Moleküle durch das Anlagern an Oberflächen kaum verändert. Im vorliegenden Projekt ist es geplant schwach gebundene Komplexe aus einem oder mehreren Fullerenen und verschiedenen Metallatomen oder leichten Molekülen zu erzeugen. Dies wird durch sequentielle Aufnahme in superflüssige Heliumnanotröpfchen erreicht. Dabei lassen sich ein- und auch mehrlagige Adsorbatschichten kontrolliert herstellen. Die Struktur der molekularen Schichten und auch Schalenabschlüsse werden mittels hochauflösender Massenspektrometrie und molekulardynamischen Rechnungen untersucht. Der Einfluss der Polarisierbarkeit und des Dipolmoments der adsorbierenden Teilchen auf die entstehenden Filme wird ebenso erforscht, wie der Einfluss der Kohlenstoffoberfläche auf Interclusterreaktionen, die durch den Ionisationsprozess in den Adsorbatschichten ausgelöst werden. Die zu erwartenden Resultate sind für zwei unterschiedliche, wissenschaftliche und technologische Gebiete von Interesse: Erstens ist Physisorption von Wasserstoff und Methan von fundamentaler Bedeutung für die Technologie des Wasserstoffspeicherns. Sowohl die Speicherkapazität als auch die Bindungsenergie von Wasserstoff lassen sich durch neuartige Methoden elegant und einfach für verschiedene (Metall-)Kohlenstoffoberflächen bestimmen. Zweitens haben viele Ergebnisse Bedeutung in der Astrochemie. Durch die oftmals schwache Bindung der adsorbierten Teilchen spielt Physisorption besonders bei tiefen Temperaturen eine große Rolle. In interstellaren Wolken herrschen teilweise Temperaturen bis unter 10K. Aus diesem Grund erwarte ich, dass bei diesen Bedingungen praktisch alle Atome und Moleküle bei Stößen mit Staubteilchen aber auch Fullerenen und PAHs an diesen festfrieren. Ionenmolekülreaktionen aufgrund von Lichtabsorption oder Stößen mit geladenen Teilchen tragen dann zur Molekülsynthese im Weltraum bei. Viele der gewählten Adsorbate sind in interstellaren Wolken bereits nachgewiesen worden.

Die Oberfläche von Fullerenen und deren Cluster ist ein ideales Modell zur Untersuchung der Adsorption von Atomen und Molekülen an definierten Strukturen. Ein einzelnes Fullerene hat Ähnlichkeiten mit Nanoröhren und Graphen. Im Gegensatz zu letzteren, lassen sich Fullerene einer einzelnen Größe in höchster Reinheit (>99.99%) herstellen. Das ermöglicht massenspektrometrische Experimente, wobei die Anzahl an Adsorbate sich genau über die Masse bestimmen lässt. Der Effekt der Krümmung ist durch unterschiedlich große Fullerene steuerbar. Die Rillen zwischen zwei bzw. die Senken zwischen drei Fullerenen werden von Adsorbaten, die untereinander schwächer gebunden sind als an zur Oberfläche, bevorzugt besetzt. Im Gegensatz dazu, führt eine dominierende Bindung zwischen den Adsorbaten, zu praktisch ungestörtem Clusterwachstum auf den Fullerenoberflächen. Kohlenstoff-, Gold-und auch Alkaliatome bilden starke chemische Bindungen mit Fullerenen was in den ersten beiden Fällen zur Erzeugung von Hanteln oder gar Ketten führt und im Fall von Alkalimetallen sogar zu Salzen. C60 mit Lithium wurde in vielen theoretischen Untersuchungen als hervorragender Wasserstoffspeicher vorgeschlagen. Im vorliegenden Projekt konnte dies für das System C60 und Cäsium auch experimentell verifiziert werden. Die Mikrosolvatisierung von Fulleren- und Coronenionen mit Helium und Wasserstoff zeigt die Bildung von abgeschlossenen geometrischen Schalen, wobei die ersten Schale meist als fest betrachtet werden kann. Jedoch zeigen spektroskopische Untersuchungen von heliumumhüllten Fullerenionen ein teilweises Aufschmelzen der ersten Schale bei weiterer Anlagerung von Heliumatomen. Dazu werden elektronische Übergänge in C60+ angeregt, was zu einem Abdampfen der angelagerten Heliumatome führt, was massenspektrometrisch leicht nachweisbar ist. Unsere Messungen bestätigen dabei die kurz zuvor in kalten Ionenfallen bestimmten Absorptionslinien von C60+, die auch in astronomischen Spektren von diffusen interstellaren Wolken nachgewiesen wurden. Darüber hinaus konnte für eine der vier Linien eine deutliche Abweichung der Absorptionsenergie zwischen einem Heliumatom an einem fünfeckigen und einem sechseckigen Ring beobachtet werden. Dies spiegelt sich in einer deutlichen Verbreiterung der Absorptionslinien aufgrund einer statistischen Besetzung der unterschiedlichen Flächen des C60+ wieder. Diese neuartige Form der Action- Spektroskopie ist wesentlich effektiver als bisherigen Verfahren und soll daher in einem Folgeprojekt zur Suche von weiteren Trägern von diffusen interstellaren Banden eingesetzt werden.