Reaktivität und Photochemie von dotierten Salzclustern

Seesalzaerosole spielen eine wichtige Rolle in der Erdatmosphäre. Bei der Wolkenbildung können sie als Kondensationskeime dienen, sie absorbieren und reflektieren Sonnenlicht und beteiligen sich an der Chemie von Spurengasen. Seesalzaerosole entstehen durch das Zerstäuben von Meerwasser zu kleinen Tröpfchen und die nachfolgende Verdunstung von Wasser. Durch die geringe Größe schweben sie für längere Zeit in der Atmosphäre und altern, wobei sich ihre chemische Zusammensetzung verändert. Die Aerosole bestehen aus einem komplizierten Gemisch von Kochsalz, Magnesiumsulfat, organischen Substanzen, Wasser und einer Vielzahl weiterer Elemente, die nur in Spuren enthalten sind, z.B. Eisen oder Iod. Diese unübersichtliche Zusammensetzung führt dazu, dass man beim Altern des Aerosols nicht genau sagen kann, welche chemischen Reaktionen nacheinander Ablaufen. Hier setzt das vorliegende Projekt an: Wir untersuchen kleine Ausschnitte aus Seesalzaerosolen, bei denen wir auf das einzelne Atom genau wissen, wie sie zusammengesetzt sind. Diese sogenannten Cluster werden in einem Massenspektrometer, das üblicherweise für die chemische Analytik verwendet wird, hergestellt und unter Vakuumbedingungen für mehrere Sekunden gespeichert. Im Massenspektrometer treten die Cluster mit einzelnen Molekülen eines Reaktionsgases in Kontakt. Wenn bei diesem Kontakt eine chemische Reaktion stattfindet, ändert sich die Masse des Clusters, und wir können die Reaktion durch die Messung dieser Massenänderung nachweisen. Außer durch Stöße mit einem reaktiven Gas kommt es auch durch Licht zu chemischen Reaktionen im Aerosol, man spricht in diesem Fall von Photochemie. Im Laborexperiment stellen wir dazu gezielt Cluster her, die eine photochemisch aktive Komponente enthalten. Ein Beispiel ist Pyruvat, das in einen Natriumchloridcluster eingebettet ist und einen Teil des Sonnenlichts absorbiert. Um zu verstehen, was genau bei der Absorption des Sonnenlichts passiert, verwenden wir ein Lasersystem, bei dem wir die Wellenlänge des Lichts frei wählen können. Dadurch lassen sich gezielt quantenmechanische Molekülzustände anregen, wodurch es zu charakteristischen photochemischen Prozessen kommt. Diese Prozesse werden mit quantenchemischen Computersimulationen nachgebildet, so dass wir ein vollständiges Bild von der Photochemie im Salzcluster erhalten. Durch das Beimischen von Spurenelementen können wir zudem deren Einfluss auf die Photochemie erforschen, ob sich z.B. Iod direkt an der Photochemie beteiligt oder ob ein doppelt geladenes Magnesiumion ein organisches Ion in der Nachbarschaft so stark beeinflusst, dass sich dessen Photochemie ändert. Durch diese Experimente in Zusammenspiel mit Computersimulationen erhalten wir ein genaueres Verständnis chemischer Elementarreaktionen in Seesalzaerosolen.