ELFIS - Elektronische Fingerprint Spektroskopie

Medienservice Der Wirkung von Sonnenlicht auf der Spur TU Graz-Physikerin und START-Preisträgerin Birgitta Schultze-Bernhardt arbeitet an einer neuen Messtechnologie, mit der UV-lichtinduzierte chemische Prozesse mit noch nie dagewesenem Detailgrad untersucht werden können. Ultraviolettes Licht ist besonders energiereiches Licht, das zahlreiche chemische Reaktionen in Gang setzt. So kann es organische Bindungen zerstören, aber auch zu deren Entstehen beitragen. Die UV- Strahlung der Sonne beispielsweise ist verantwortlich dafür, dass sich atmosphärische Spurengase zum bodennahen Ozon verbinden, dem gesundheitsschädlichen Sommersmog. Über die genauen Mechanismen solcher UV-lichtinduzierter Prozesse ist wenig bekannt, da diese mit derzeitigen Lasermessverfahren noch nicht mit dem nötigen Detailgrad untersucht werden können. Warum? Es gibt keinen Laser, der direkt im UV-Bereich emittiert, also Licht im kurzwelligen Bereich der UV-Strahlung abgibt die Wellenlänge von UV-Licht beträgt zwischen 100 und 400 Nanometer und ist somit um vieles kleiner als sichtbares Licht. UV-Licht sichtbar machen Birgitta Schultze-Bernhardt möchte dieses Problem mit einer neuen Messmethode lösen: Sie arbeitet an der Entwicklung der Elektronischen Fingerabdruck Spektroskopie (ELFIS), die genauere Untersuchungen im UV-Bereich möglich machen soll. Das Konzept: Die Physikerin der TU Graz wandelt das Licht eines Infrarot-Lasers in hochenergetisches ultraviolettes Licht um. Zwei solcher energiereichen Lichtstrahlen werden durch eine Materialprobe geschickt und im Inneren des Materials unterschiedlich stark verschluckt. Die Nutzung zweier solcher Lichtstrahlen erlaubt es schließlich, die hohen optischen Frequenzen mit einer herkömmlichen Fotodiode zu messen. Das Ergebnis ist eine Art Fingerabdruck, der Aufschluss gibt über die chemischen Komponenten und die optischen Eigenschaften des Materials, so Schultze-Bernhardt. Schrittweise Umsetzung Die Entwicklung des Verfahrens erfolgt in Etappen. In einer ersten Phase arbeitet Schultze-Bernhardt mit ihren Teams am Institut für Experimentalphysik sowie am Institut für Materialphysik an einem Spektrometer, das im sichtbaren (grünen) Spektralbereich funktioniert und Spurengase wie Stickstoffdioxid erfassen kann. Schon innerhalb eines Jahres könnte schließlich ein Spektrometer im nahen UV-Spektralbereich realistisch sein. Am Ende des Stufenplans erhofft sich Schultze-Bernhardt ein Spektrometer, mit dem wir lichtinduzierte Prozesse in einem breiten Spektralbereich, in Echtzeit mit gleichzeitig hoher spektraler und hoher zeitlicher Auflösung ansehen können. Kurzbiografie Birgitta Schultze-Bernhardt Birgitta Schultze-Bernhardt (geboren 1981 in Erlangen, Deutschland) ist Forscherin am Institut für Experimentalphysik sowie am Institut für Materialphysik der TU Graz. Schultze-Bernhardt beschäftigt sich intensiv mit Lasertechnologien zur Messung lichtinduzierter Prozesse und hat an der Fakultät für Physik der Ludwig-Maximilians-Universität in München und am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching unter Physik-Nobelpreisträger Theodor W. Hänsch promoviert. Kontakt: Birgitta SCHULTZE-BERNHARDT Dipl.-Phys. (Univ.) Dr.rer.nat. TU Graz | Institut für Experimentalphysik & Institut für Materialphysik Tel.: +43 316 873 8663 schultze-bernhardt@tugraz.at

Den Auswirkungen des Sonnenlichts auf der Spur: Ein Durchbruch bei der Messung chemischer Reaktionen Birgitta Schultze-Bernhardt, Physikerin an der TU Graz und Gewinnerin des renommierten START-Preises, hat eine innovative Messtechnologie entwickelt, die es Wissenschaftlern ermöglicht, lichtinduzierte chemische Prozesse mit bemerkenswerter Präzision zu untersuchen. Ultraviolettes (UV-) Licht, eine Form energiereicher Strahlung, spielt eine entscheidende Rolle bei der Auslösung verschiedener chemischer Reaktionen. Es kann organische Verbindungen zersetzen oder sogar zu ihrer Entstehung beitragen. So tragen die UV-Strahlen der Sonne beispielsweise zur Bildung von bodennahem Ozon bei, einem Hauptbestandteil des schädlichen Sommersmogs. Die komplexen Details dieser UV-induzierten Prozesse sind jedoch aufgrund der Einschränkungen der aktuellen Lasermesstechnik weitgehend unerforscht. Die Herausforderung liegt darin, dass es keinen Laser gibt, der Licht im UV-Bereich emittieren kann, dessen Wellenlängenbereich von 100 bis 400 Nanometern reicht - deutlich kürzer als die des sichtbaren Lichts. Um diese Einschränkung zu überwinden, hat Schultze-Bernhardt eine Methode namens Elektronische Fingerabdruckspektroskopie (ELFIS) entwickelt, die die Untersuchung von sichtbarem und UV-Licht nach seiner Wechselwirkung mit unterschiedlichsten Gasproben verbessern soll. Bei dieser Technik wird das Licht eines Infrarotlasers in energiereicheres Licht im UV-Spektrum umgewandelt. Indem Forscher zwei energiereiche Lichtstrahlen durch eine Materialprobe leiten, können sie messen, wie stark diese Strahlen unterschiedlich stark absorbiert werden. Dieser Prozess erzeugt einen einzigartigen "Fingerabdruck", der Informationen über die chemische Zusammensetzung und die optischen Eigenschaften der Probe liefert. Die Entwicklung dieser Technologie verlief schrittweise. Zunächst entwickelten Schultze-Bernhardt und ihr Team ein Spektrometer, das Spurengase wie Stickstoffdioxid im sichtbaren Spektrum nachweisen konnte. Dieses Gerät wurde erfolgreich in Feldstudien zur Überwachung der Stickstoffdioxidwerte in der Grazer Innenstadt eingesetzt. Aufbauend auf diesem Erfolg entwickelten sie später ein Spektrometer, das im nahen UV-Spektrum arbeitet und hochauflösende Spektroskopie von Formaldehyd - einem weiteren umweltrelevanten Spurengas - ermöglicht. Dieses neue Spektrometer zeichnet sich durch die Abdeckung eines beispiellosen ultrabreitbandigen Spektralbereichs im UV-Bereich aus. Mit diesen Fortschritten wird Schultze-Bernhardts Arbeit unser Verständnis der komplexen chemischen Wechselwirkungen, die durch Sonnenlicht hervorgerufen werden, erheblich verbessern und potenzielle Auswirkungen auf die Umweltüberwachung und die öffentliche Gesundheit haben.