Neue Einblicke zu Anordnung und Mobilität von Molekülen auf Nanopartikel-Oberfläche

Die Bindungskonfiguration von Molekülen mit einer Oberfläche ist von zentraler Rolle in chemischen Reaktionen. Die Möglichkeit, Bindungskonfigurationen in isolierten Nanosystemen zu untersuchen, ist deshalb von hohem Interesse. Einem Freiburger Forscherteam um Dr. Lukas Bruder und Prof. Dr. Frank Stienkemeier ist es nun gelungen, die Anordnung und Mobilität organischer Moleküle auf ultrakalten Edelgaspartikeln zu untersuchen. Hierbei erhielten sie Information darüber, wie sich die Moleküle an die Partikel binden und wie sich diese Bindungen nach der Einstrahlung von Licht entwickeln. Untersucht wurden Phthalocyanin-Moleküle als wichtige Bausteine für Optoelektronik- und organische Photovoltaikanwendungen. Die Ergebnisse wurden im Fachmagazin „Nature Communications“ veröffentlicht.

Besonders hohe Zeit- und Energieauflösung

Für die Experimente wurden im Ultrahochvakuum einzelne Moleküle auf isolierten Edelgaspartikeln deponiert und anschließend mittels kohärenter zweidimensionaler Spektroskopie untersucht. Diese Technik, angewandt auf isolierte Nanosysteme, ermöglicht die Untersuchung der molekularen Eigenschaften mit besonders hoher Zeit- und Energieauflösung. Die Zeitauflösung ist dabei nur ein Bruchteil eines Millionstels eines Millionstels einer Sekunde und ermöglicht es, in Echtzeit die Bindungsprozesse zu verfolgen.

„Überraschend ist vor allem die große Anzahl an möglichen Bindungskonfigurationen, die wir abschätzen konnten“, sagt Ulrich Bangert, der maßgeblich für die experimentelle Durchführung verantwortlich war. Diese Beobachtung, die durch die erstmalige Bestimmung der homogenen Linienbreite in einem solchen System möglich wurde, bietet neue Anreize für die theoretische Modellierung der Nanopartikel.

Vielversprechender Ansatz für weitere Untersuchungen

„Interessant wird sein, wie sich unsere Untersuchungsmethode auch auf andere, beispielsweise katalytische Nanopartikel übertragen lässt“, sagt Lukas Bruder mit Blick in die Zukunft. „Die erzielte hohe Auflösung stellt aber auch generell einen vielversprechenden Ansatz zur Untersuchung photochemischer Reaktionen in Nanosystemen dar“, ergänzt Frank Stienkemeier.

Faktenübersicht:

• Originalpublikation: U. Bangert, F. Stienkemeier, and L. Bruder, High-Resolution Two-Dimensional Electronic Spectroscopy Reveals the Homogeneous Line Profile of Chromophores Solvated in Nanoclusters, Nat Commun 13, 3350 (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-31021-z
• Das Forschungsprojekt wurde im Rahmen der internationalen Graduiertenschule „Cold Controlled Ensembles in Physics and Chemistry“ (CoCo) gefördert, die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) eingerichtet wurde, sowie durch das Projekt „COCONIS“ des Europäischen Forschungsrats (ERC).
• Lukas Bruder ist Akademischer Rat (tenured) am Physikalischen Institut der Universität Freiburg und Mitglied des Eliteprogramms für Postdocs der Baden-Württemberg-Stiftung. Ulrich Bangert ist Doktorand am Physikalischen Institut der Universität Freiburg. Frank Stienkemeier ist Professor für Experimentalphysik an der Universität Freiburg. Seine Forschungsschwerpunkte sind Atom- und Molekülphysik sowie Spektroskopie mit Nanoclustern und ultrakurzen Laserpulsen.

Laseranregung eines Phthalocyanin-Moleküls auf der Oberfläche eines Edelgasclusters, bestehend aus einigen hundert Neon-Atomen. Das System hat eine Größe von weniger als zehn Nanometer. (Abbildung: von der Forschungsgruppe zur Verfügung gestellt)

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Kontakt:
Dr. Lukas Bruder
Physikalisches Institut
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Tel.: 0761/203-8405
E-Mail: lukas.bruder@physik.uni-freiburg.de