Mit Lasern die Struktur von Molekülen kontrollieren
Neues Werkzeug zur Untersuchung chemischer Reaktionen
Forschende der Abteilungen Molekülphysik und Physikalische Chemie am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft zeigen, wie mit zwei synchronisierten Infrarotlasern die Umwandlung zweier Strukturen eines Moleküls kontrolliert werden kann. Ihre Methode gibt Einblicke in Umwandlungsprozesse von Molekülen während chemischer Reaktionen und ermöglicht so neue grundlegende Erkenntisse über die mikroskopischen Abläufe, auf denen Chemie beruht.
Neues Werkzeug zur Untersuchung chemischer Reaktionen
Chemische Reaktionen sind die Grundlage alles Lebens. Weltweit entwickeln Forschende daher Methoden, um chemische Reaktionen präzise physikalisch zu beschreiben und so besser verstehen zu können, um sie zu kontrollieren und vorherzusagen.
Während chemischer Reaktionen durchlaufen Moleküle verschiedene strukturelle Veränderungen: Sie wechseln zwischen unterschiedlichen dreidimensionalen Konformationen. Diese Veränderungen können als Bewegungen über eine Energielandschaft dargestellt werden, wobei die Beschaffenheit der Landschaft bestimmt, wie die Reaktion abläuft. Ähnlich einem Ball, der durch ein hügeliges Gelände rollt, muss ein Molekül Energiebarrieren – „Berge“ – überwinden, um in einen neuen, stabilen Zustand im nächsten „Tal“ zu gelangen.
In einer vorangegangenen Studie machte das Forschungsteam die ungewöhnliche Beobachtung, dass im Spektrum des untersuchten protonengebundenen Phosphat-Formiat-Komplexes ein Teil zu fehlen schien - ein Hinweis darauf, dass eine strukturelle Veränderung durch die Laserbestrahlung ausgelöst wird, also ein Prozess, der als IR-induzierte Isomerisierung bekannt ist. Um diesen faszinierenden Prozess genauer zu untersuchen, entwickelte das Team eine neue experimentelle Methode, die zwei synchronisierte IR-Laser erfordert. Die neuartige Zweifarben-Betriebsweise des kürzlich am Fritz-Haber-Institut gebauten Doppel-Oszillator-IR-FELs machte diese Experimente nun möglich und eröffnet damit einen neuen Zugang zur Untersuchung und Steuerung von Molekülen.
Aufnahme einzelner Fingerabdrücke von Molekülen
Die Forschenden fingen die Molekülionen in Tröpfchen von superfluidem Helium ein - einer Umgebung nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt kalt - und konnten so die Moleküle extrem abkühlen und sicherstellen, dass diese über eine außergewöhnlich lange Zeitspanne zerstörungsfrei Laserlicht absorbieren konnten. Wenn die Moleküle Laserlicht absorbieren, dampft durch die aufgenommene Energie nach und nach Helium aus dem Tröpfchen ab. Nach mehreren Absorptionsereignissen entsteht durch dieses Abdampfen letztlich ein messbares Signal - das IR-Spektrum des Moleküls wird so messbar.
Wenn jedoch das Molekül durch die Energiezufuhr seine Struktur verändert, bevor dieses Signal messbar wurde, geht das Signal verloren - es wird im Spektrum unsichtbar. Um diesem Problem zu begegnen, nutzten die Forschenden nun zwei Laser des durchstimmbaren IR-FELs, wodurch sie volle Kontrolle über die Population der strukturellen Konformationen des Moleküls erlangten. Der eine Laser wurde genutzt, um die Umwandlung von einer in die andere Struktur einzuleiten, während der zweite Laser gezielt die ursprüngliche Struktur wiederherstellte und somit eine fortgesetzte Absorption ermöglichte.
Die lange IR-Anregungszeit (bis zu 10 µs) und die schnelle Kühlung durch die Helium-Umgebung erlaubten die vollständige Umwandlung zwischen den beiden Strukturen, wodurch sie getrennt gemessen werden konnten und somit ihr molekularer Fingerabdruck sichtbar wurde, der bei Messungen mit einem einzigen Laser verborgen bliebe.
Die Methode ist somit ein leistungsstarkes Werkzeug, um strukturelle Umwandlungsprozesse von Molekülen genauer zu verstehen und ganz gezielt zu kontrollieren. Daraus ergeben sich neue Möglichkeiten für die Untersuchung der molekularen Prozesse, die Chemie auf der grundlegendsten Ebene bestimmen.
Zweifarben-Betriebsweise des FHI-FEL
Infrarot-Freie-Elektronen-Laser (IR-FELs) sind sehr geeignete Instrumente für verschiedene Arten der Spektroskopie. Sie erreichen im Gegensaatz zu vielen anderen kommerzielle Laserquellen auch lange Wellenlängen (λ ≥ 15 µm). Darüber hinaus liefern IR-FELs über einen längeren Zeitraum hinweg eine sehr große Anzahl von Photonen. Dies lässt sich nutzen, um große Energiemengen in Proben einzubringen.
Seit 2013 liefert der FHI-Freie-Elektronen-Laser (FHI-FEL) intensive, gepulste Strahlung im mittleren Infrarotbereich, die kontinuierlich im Wellenlängenbereich von 2,8 bis 50 µm abstimmbar ist. Vor kurzem wurde die Anlage um einen zweiten FEL-Zweig erweitert, der zur Erzeugung von Strahlung im fernen Infrarotbereich mit Wellenlängen von bis zu 165 µm ausgelegt ist.
Die zeitliche Struktur des Lichts eines FEL wird durch die zeitliche Struktur des Elektronenstrahls bestimmt, aus dem das Licht erzeugt wird. Um einen zweifarbigen IR-FEL-Betrieb zu erreichen, wird der FHI-FEL-Elektronenstrahl in zwei Elektronenstrahlen aufgeteilt, die in zwei separate optische Resonatoren mit unabhängig voneinander abstimmbaren Undulatoren eingekoppelt werden. Auf diese Weise ist eine perfekte Synchronisation der beiden Elektronenstrahlen gewährleistet. Das Ergebnis sind zwei unabhängig voneinander abstimmbare IR-FELs – eine weltweit einzigartige Konfiguration.
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