Struktur und Reaktivität von Form-veränderbaren Molekülen

Die Struktur chemischer Verbindungen kann die Effizienz mikroskopischer Prozesse, die unsere natürliche Welt gestalten und molekulare und technologisch relevante Veränderungen erzwingen, stark beeinflussen. Viele dieser Moleküle können verschiedene strukturelle Anordnungen annehmen, auch Isomere genannt. Transformationen zwischen stabilen Isomeren spielen eine entscheidende Rolle in vielen natürlichen und technologischen Prozessen, wie Solarenergiegewinnung, Informationstechnologie oder Pflanzenmetabolismus. Aus diesem Grund ist es besonders relevant, die Strukturunterschiede zwischen diesen Molekülen, sowie die Gründe für ihre unterschiedlichen Stabilitäten zu erforschen. Aus einer technologischen Perspektive ist es zusätzlich entscheidend, Methoden zu finden, die in der Lage sind einzelne Isomere effizient zu trennen und die Wirkung von äußeren Impulsen auf ihrer Gestalt und Reaktionsfähigkeit zu studieren. Der vorliegende Antrag zielt auf ein ausführliches Verstehen des Weges, auf dem Licht, Temperatur und Kollisionen die Gestalt chemischer Verbindungen auf mikroskopischem Niveau beeinflussen. Diese Untersuchungen sollen in der Gasphase durch das Kombinieren von Techniken erreicht werden, die dazu fähig sind, molekulare Isomere zu trennen und mittels Laserspektroskopie und Kollisionsexperimenten Strukturtransformationen in diesen vorausgewählten Molekülen zu erzwingen. Der erste Teil des Projekts beschäftigt sich experimentell mit der Frage, wie und unter welchen Bedingungen strukturelle Veränderungen in technologisch wichtigen Verbindungen stattfinden und wie diese Veränderungen zu einer erhöhten chemischen Stabilität führen. Der zweite Teil untersucht Moleküle, deren strukturelle Veränderungen eine wichtige Rolle in der Entwicklung und der chemischen Zusammensetzung unseres Universums haben. Der dritte Teil des Projektes umfasst die Rückkehrphase an der Universität Innsbruck, wo durch hochaufgelöste Methoden die Untersuchung spezifischer Moleküldrehungen der obengenannten Verbindungen erfolgen wird. Dabei kann die Erfahrung in molekularer Spektroskopie, die an der University of Melbourne gesammelt wird, direkt angewandt werden. Durch das Erforschen der Bedingungen, unter denen chemische Verbindungen ihre strukturelle Anordnung ändern wird grundsätzliches Wissen über die Chemie chemisch komplexer Umgebungen gewonnen werden. Zusätzlich werden diese Erkenntnisse zu einer besseren Selektivität, Kontrolle und Leistungsfähigkeit von Ansätzen beisteuern, die gestalt-wechselnde Moleküle als mikroskopische Motoren verwenden.

Moleküle, die Ihre strukturelle Anordnung durch externe Anregungen wie Licht oder reaktive Kollisionen verändern, spielen eine entscheidende Rolle in verschiedenen natürlichen Umgebungen. Weiterhin basieren viele moderne technologische Geräte auf die stabile und effiziente Schaltung solcher form-veränderbaren Molekülen. Das Ziel dieses FWF Schrödinger Projektes war es, neue Labor-basierte instrumentelle und methodologische Ansätze zu entwickeln, um Strukturen gleicher Masse aber unterschiedlicher struktureller Anordnung- auch Isomere genannt- zu trennen und individuell zu untersuchen. Dabei war das Ziel, vielseitige Methoden/Instrumente zu entwickeln, die sowohl die Struktur wie auch Photochemie und Reaktivität isolierter Isomere untersuchen können. Das Projekt bestand aus zwei Hauptbereichen. Im ersten Abschnitt des Projektes wurde ein zweckmäßig gebautes, mehrstufiges lonen-Mobilitätsspektrometer benutzt, in dem das lsomerisierungsverhalten von Form-veränderbarenMolekülen nach Licht- oder Kollisionsanregung erfasst werden konnte. Dazu war es mit dem Instrument möglich, Isomerisierung und andere radiative Prozesse gleichzeitig zu erfassen, um dabei die relative Relevanz dieser Prozesse zu bestimmen. Wichtige Klassen molekularer Photo-schalter wurden während dieses Teil-Projektes untersucht, wobei die grundlegende Details und Effekte molekularer Isomerisierung erläutert werden konnten. Die Aufgabe des zweiten Projektabschnittes war es, eine einzigartige, komplexe, mehrstufige Apparatur zu entwickeln, die Photochemie, hochauflösende Strukturbestimmung und Reaktivität einzelner vorher getrennten Isomeren untersuchen kann. Ein Hauptteil des Projektes war das Designen und Bauen aller nötigen mechanischen und elektronischen Komponenten, wobei besonders darauf geachtet wurde, dass das Experiment so viele unterschiedliche Proben wie möglich potenziell untersuchen kann. Vor meiner Abreise wurde das Instrument fertiggebaut, und alle Komponenten wurden geprüft und als funktionstätig bestätigt. Dazu wurden erste lsomerisierungsexperimente erfolgreich abgeschlossen und isomer-spezifische Ionen konnten gefangen und gekühlt werden. Dieses Experiment ist eines der vielseitigsten und aussagekräftigsten Apparaturen in dem Bereich der molekularen Physik und kann als ein besonderer Schritt gesehen werden, Isomer-spezifische Studien im Bereich der Massenspektrometrie zu etablieren und dadurch die Qualität und Detail konventioneller Studien drastisch zu verbessern.