Wie Moleküle an Nanopartikeln binden

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 Lukas Bruder und 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 haben die Forscher Phthalo­cyanin-Moleküle als wichtige Bausteine für Opto­elektronik- und organische Photo­voltaik­anwendungen.

Für die Experimente haben die Wissenschaftler 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 einer Piko­sekunde 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.

„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.

U. Freiburg / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  U. Bangert et al.: 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
• Molekül- und Nanophysik (F. Stienkemeier), Universität Freiburg