Forschung

Einzelne Moleküle spektroskopieren

11.03.2019 - Wechselwirkung eines Moleküls mit seiner Umgebung lässt mit neuer Methode ermitteln.

Einem internationalen Team um den TUM-Chemiker Jürgen Hauer ist es nun gelungen, die spektralen Eigenschaften einzelner Moleküle zu bestimmen. Die Forscher konnten Absorptions- und Emissions­spektren der untersuchten Moleküle über einen breiten Spektral­bereich in einer einzigen Messung erfassen und so exakt bestimmten, wie ein Molekül mit seiner Umgebung interagiert, wie es Energie aufnimmt und wieder abgibt.

 

Normalerweise wird bei solchen Messungen über tausende, manchmal Millionen von Molekülen gemittelt, dadurch gehen wichtige Detailinformationen verloren. „Bisher ließen sich Emissions­spektren routinemäßig erfassen, Absorptions­messungen an Einzelmolekülen waren jedoch extrem aufwendig“, erklärt Hauer. „Wir sind damit an der ultimativen Grenze der Nachweisbarkeit angelangt.“

Die neue Methode basiert auf einem kompakten, nur DIN-A4-großen Instrument, das die Münchner Chemiker in Zusammenarbeit mit den Kollegen am Politecnico di Milano entwickelten. Der Trick dabei: Es erzeugt einen doppelten Laserimpuls mit kontrollierter Verzögerung zwischen den Anregungen. Der zweite Puls moduliert das Emissions­spektrum auf eine spezifische Art, die ihrerseits Informationen über das Absorptions­spektrum enthält. Diese Informationen lassen sich dann über eine Fourier-Transformation auswerten.

„Der Hauptvorteil ist, dass wir einen herkömmlichen Messaufbau zur Erfassung von Emissionsspektren mit nur wenig Aufwand in ein Gerät zu Messung von Emissions- und Absorptions­spektren verwandeln können“, sagt Hauer. Die Messung selbst ist relativ einfach. „Um neun Uhr morgens haben wir das Gerät in den Aufbau an der Universität Kopenhagen eingebaut“, erzählt Hauer. „Schon um halb zwölf gab es erste brauchbare Messdaten.“

Mit Hilfe der neuen Spektroskopie-Methode wollen die Chemiker nun einzelne Moleküle studieren, etwa den Energiefluss in metall-organischen Verbindungen oder physikalische Effekte bei Molekülen, wenn sie mit Wasser oder einem anderen Lösungsmittel in Kontakt kommen.

Der Einfluss eines Lösungsmittels ist auf Einzelmolekülebene noch wenig erforscht. Die Chemiker wollen den Energiefluss auch zeitlich aufgelöst darstellen und so verstehen, warum er in bestimmten Molekülen schneller und effizienter stattfindet als in anderen. „Konkret interessieren wir uns für den Energietransfer in biologischen Molekülverbänden, in denen Photosynthese stattfindet“ sagt Hauer.

Besonders im Fokus hinsichtlich späterer Anwendungen steht der Lichtsammelkomplex LH2. „Wenn wir natürliche Licht­sammel­komplexe verstanden haben, können wir über künstliche Systeme nachdenken, wie sie in der Photovoltaik zum Einsatz kommen“, sagt Hauer. Die Erkenntnisse könnten die Grundlage für zukünftige Technologien in der Photovoltaik sein. Das Ziel ist die Entwicklung einer neuartigen organischen Solarzelle.

TUM / DE

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