Ziel unserer Forschungsaktivitäten ist die Überbrückung der Wissenslücke zwischen isolierten, nanoskaligen Teilchen in der Gasphase und kondensierter Materie. Dazu werden Methoden zur Charakterisierung der Struktur, Reaktivität und Dynamik von Clustern, Nanopartikeln und fluiden Grenzflächen unter Verwendung modernster massenspektrometrischer und laserspektroskopischer Verfahren entwickelt.

Abbildung der Wechselwirkung eines Nanopartikel mit Laserstrahlen in einer Paulfalle.
Wir entwickeln weltweit einzigartige Meßmethoden zur hochpräzisen Charakterisierung einzelner Nanopartikel in der Gasphase (Grafik: Benjamin Hoffmann)

Unsere Forschungsprojekte

Nanopartikelproben zeichnen sich typischerweise sowohl durche eine physikalische wie auch chemische Heterogenität aus. Dies führt zum Beispiel zu einer reduzierten Leistung in technologischen Anwendungen. Eine Leistungsoptimierung erfordert Einblicke in die intrinsischen Eigenschaften einzelner Nanopartikel und wie diese zu den Eigenschaften des Ensembles beitragen. Die meisten experimentellen Einzelnanopartikel-Methoden untersuchen jedoch abgeschiedene Partikel, deren Eigenschaften entweder durch den Träger oder benachbarte Partikel gestört werden. Die ausschließliche Charakterisierung der inhärenten Nanopartikeleigenschaften erfordert deren Isolierung in der Gasphase.

Forschungsschwerpunkte

  • Spektroskopie an einzelnen Nanopartikeln
  • UV/Vis- und IR-Spektroskopie
  • Bestimmung von Adsorptionsenergien
  • Aufklärung größenabhängiger Effekte im Größenbereich von 5 bis 100 nm
Abbildung der Wechselwirkung eines Nanopartikel mit Laserstrahlen in einer Paulfalle.
Wir entwickeln weltweit einzigartige Meßmethoden zur hochpräzisen Charakterisierung einzelner Nanopartikel in der Gasphase (Grafik: Benjamin Hoffmann)

Die Eigenschaften von Wasser und den darin gelösten Teilchen wird maßgeblich von den lokal ausgebildeten Netzwerken aus Wasserstoffbrückenbindungen bestimmt. Ein detailliertes Verständnis dieser Wechselwirkungen ist von fachübergreifendem Interesse. So spielen Wasserstoffbrücken z.B. bei der Beschreibung von Protonentransferreaktionen (enzymatische Katalyse), des Lösungsverhalten von anorganischen Salzen (Solvatation), der Tertiärstruktur von Biomolekülen (Peptid- und Proteinfaltung) oder der Bildung und Eigenschaften von Aerosolen (Keimbildung) in der Atmosphäre ein zentrale Rolle, die auf molekularer Ebene noch äußerst unvollständig verstanden ist. Hier setzt dieses Projekt an, in dem mittels schwingungsspektroskopischer Untersuchungen an Gasphasenclustern unter bestmöglich definierten Bedingungen strukturelle Motive als Funktion des Hydratisierungsgrades und der Temperatur untersucht werden. Durch stufenweise Anlagerung einzelner Wassermoleküle kann der Übergang vom isolierten bis zum vollständig hydratisierten Teilchen spektroskopisch verfolgt werden.

Sulfatdianionen sind für starke Ion-Wasser-Wechselwirkungen bekannt und werden symmetrischen hydratisiert.

Metalloxide spielen als neue Materialien auch in vielfältigen technischen Anwendungen, z.B. als Baustoffe, als Beschichtungen, oder in medizinischen Implantaten, eine zunehmend wichtigere Rolle. Die Oberflächenchemie dieser Oxide wird durch die Wechselwirkung mit Wasser und den darin gelösten Ionen bestimmt. Um die Lebensdauer (Korrosionsbeständigkeit) solcher Materialien zu optimieren, ist ein molekulares Verständnis der Metalloxid/Wasser Wechselwirkung (Oxidbildung sowie Oxidauflösung) von zentraler Bedeutung. Es gibt zwar bereits eine Vielzahl von Untersuchungen zu diesen Grenzflächen, ein fundamentales Verständnis dieser Wechselwirkung auf molekularer Ebene fehlt jedoch weitestgehend. 

Dieses Projekt zielt darauf ab, die Struktur und ultraschnelle Dynamik von Modellsystemen zu charakterisieren, die starke Wasserstoffbrückenbindungen enthalten. Die Wasserstoffbrückenwechselwirkung ist der Schlüssel zum Verständnis der Struktur und der Eigenschaften von Wasser, Biomolekülen, selbstorganisierten Nanostrukturen und molekularen Kristallen. Allerdings herrscht noch viel Verwirrung über ihre elektronische Natur, eine Kombination aus van der Waals, elektrostatischen und kovalenten Beiträgen, die zu einer Vielzahl von Wasserstoffbrückenbindungen mit Bindungsstärken von 2 bis 40 kcal/mol (ein 20-facher Bereich!) führt. Insbesondere unser Verständnis von starken, barrierearmen Wasserstoffbrückenbindungen und ihrer zentralen Rolle bei der Enzymkatalyse, der biomolekularen Erkennung, dem Protonentransfer über Biomembranen und dem Protonentransport in wässrigen Medien ist noch lückenhaft.

Grundzustandswellenfunktion des delokalierten, symmetrisch verteilten Protons im protonierten Ammoniakdimer

Anorganische Säuren (AH), ihre konjugierten Basenanionen (A‾) und Wasser spielen bei der Aerosolbildung in der Atmosphäre eine entscheidende Rolle. Im Prozess der ioneninduzierten Nukleation dienen negative Ionen als effektivere Nukleationsstellen als positive Ionen. Zu den häufigsten Anionen in der Troposphäre und Stratosphäre gehören Nitrat und Bisulfat, sowie deren mikrosolvatisierte Cluster. Um die frühen Schritte der Aerosolnukleation zu verstehen und einen Einblick in die mikroskopische Struktur der Masse zu erhalten, verwenden wir Infrarot-Einzel- und Mehrphotonen-Dissoziationsspektroskopie (IRMPD) in Kombination mit elektronischen Strukturberechnungen als Struktursonde für größenselektierte (A‾)(AH)m(A'H)m'(H2O)n(H2)z-Cluster.

deprotonierten Schwefelsäuretrimers

Struktur und IR Spektrum des deprotonierten Schwefelsäuretrimers.

Übergangsmetalloxide spielen bei der industriellen Nutzung der heterogenen Katalyse eine zentrale Rolle. Interessanterweise sind dabei in den seltensten Fällen die zu Grunde liegenden molekularen Reaktionsmechanismen im Detail bekannt. Ein Verständnis dieser ist aber notwendig, um zur Entwicklung von Konzepten zur Herstellung von Katalysatoren mit erhöhter Ausbeute und Selektivität beizutragen. Im Rahmen des SFBs 546 „Vanadiumoxid-Aggregate“ (1999-2011) haben wir diesbezüglich eine langjährige Expertise aufgebaut, wie man mit Hilfe von spektroskopischen Untersuchungen zur Struktur, Reaktivität und Dynamik an maßgeschneiderten Metalloxidclustern in der Gasphase grundlegende Frage an Hand dieser einfachen Modellsystems untersuchen kann. Dazu gehören z.B. Untersuchungen (a) zur Korrelation zwischen lokaler Struktur und Reaktivität, (b) zur Identifizierung des spektroskopischen Fingerabdruckes aktiver Gruppen, (c) zur Wechselwirkung zwischen aktiven Gruppen und Trägermaterialien, (d) zur Eichung quantenchemischer Rechenverfahren sowie (e) zur Identifizierung reaktiver Zwischenprodukte.

Das könnte Sie auch interessieren

Publikationen

mehr erfahren

Forschungs-Instrumente & -methoden

mehr erfahren

Wilhelm-Ostwald-Institut

mehr erfahren