Bildung und Charakterisierung ultrakalter molekularer Anione

Freie Helium Tröpfchen bieten einen neuartigen Ansatz um Moleküle und Cluster zu bilden und charakterisieren. Helium Nanotröpfchen, bestehend aus 105 - 108 Heliumatomen, stellen eine extreme, in mancher Hinsicht ideale Matrix dar: Sie garantieren eine stabile Temperatur von 0.37 K bei der Helium superflüssig ist. Moleküle die mit solchen Tröpfchen stoßen, werden spontan absorbiert; die Moleküle diffundieren schnell zum Zentrum des Tröpfchens wo sie mit anderen Molekülen agglomerieren. Während effizienter Wärmeaustausch eine niedrige Temperatur des Komplexes garantiert, beeinflusst die Matrix die Struktur des Komplexes nur minimal. Wir werden die Technik, Moleküle in Helium Nanotröpfchen zu bilden, anwenden um die Energetik und Dynamik von molekularen und Cluster Anionen zu erforschen. Die Anlagerung freier, niederenergetischer Elektronen an DNA Basen triggern chemische Reaktionen die in hohem Maße selektiv sind bezüglich der chemischen Bindung. Die Energie des Elektrons entscheidet, welche Bindung gebrochen wird. Bisher wurden solche Reaktion an isolierten Molekülen untersucht; sie weisen eine Reihe von Dissoziationskanälen im Bereich von 0 bis 10 eV auf, unterhalb der Schwellenergie für Ionisierung. Vorläufige Experimente in unserem Labor zeigen eine dramatische Änderung der Reaktionen wenn die Anionen in Heliumtröpfchen eingebettet sind. Weitere strukturelle Information wird durch Photoelektronenspektroskopie an den Anionen erhalten. Wassercluster bilden das zweite Modellsystem unserer Untersuchungen. Messungen an negativ geladenen Wasserclustern helfen, die strukturellen und energetischen Details sowie die Dynamik freier Elektronen in Wasser zu verstehen. Bisherige Absorptions- und Photoelektronspektren sind komplex; denn es existieren mindestens drei Isomere in denen das Elektron qualitativ verschieden gebunden ist. Temperatur und Kinetik beeinflussen entscheidend die relative Bevölkerung der Isomere. Die Zuordnung spektraler Merkmale wird erleichtert durch Experimente bei unterschiedlichen Temperaturen, doch der Bereich über den die Temperatur bisher variiert werden konnte ist sehr beschränkt. Die Zuordnung spektraler Merkmale zu den unterschiedlichen Zuständen (Dipol- gebundene Zustände, Elektronen an der Oberfläche und im Innern) wird erleichtert durch Photoelektronenspektroskopie an ultrakalten Wassercluster Anionen. Weiterhin eröffnet die Heliummatrix die Möglichkeit, die neutralen Cluster vor der Elektronenanlagerung zu annealen und somit eine eindeutige Zuordnung zu erreichen.

Superfluide Heliumtröpfchen bestehend aus bis zu mehreren Millionen Atomen wurden mit Fullerenen und meist mit einer weiteren atomaren oder molekularen Substanz dotiert. Dabei bildeten sich im Zentrum der Heliumtröpfchen Komplexe bei einer Temperatur von 0.37K. Die dotierten Tröpfchen wurden durch Stöße mit Elektronen ionisiert und die entstandenen Ionen mittels hochauflösender Massenspektrometrie analysiert. Sowohl molekulare Filme auf einzelnen Fullerenen als auch die Bedeckung von Ansammlungen an Fullerenen mit Atomen und Molekülen wurde untersucht. Der Abschluss der ersten Adsorbatschicht aber auch das Füllen von Rillen und Löchern zwischen zwei bzw. drei Fullerenen mit Adsorbaten spiegelt sich in besonders intensiven bzw. sich stark zu den Nachbarn ändernden Ionensignalen wieder. So kann auf einfache Weise die Bildung von molekularen Schichten auf Nanometer großen Objekten erforscht werden. Im Gegensatz zu klassischen Oberflächen spielt sowohl die Krümmung der Fullerene als auch die ausgeprägten Rillen und Löcher zwischen mehreren Fullerenen eine starke Rolle. Im vorliegenden Projekt werden besonders stabile Strukturen einfach abgewogen und mit theoretischen Modellen verglichen. In Fall von Helium bedeckten Fullerenen konnte eine neben einer festen Schicht, wenn jede sechs- und fünfeckige Fläche mit genau einem Heliumatom bedeckt ist auch eine Mischform aus fest und flüssig beobachtet werden, die durch das Einfügen weiterer Atome in die erste Monolage entsteht. Im Fall von molekularem Wasserstoff wurde ein ähnliches Verhalten beobachtet und die relativ starke Bindung von Wasserstoff an Fullerene hat große Relevanz für kalte interstellare Wolken, in denen 2010 Fullerene erstmals entdeckt wurden. Adsorption von Wasserstoff an Kohlenstoffnanoröhrchen stellt ein äußerst interessantes System für zukünftige Wasserstoffspeicherung dar. Da Fullerene nur eine Spezialform von Kohlenstoffnanoröhrchen mit der Länge Null darstellen, haben die Resultate der Kombinationen von Fullerenen mit wasserstoffreichen Molekülen auch durchaus technologische Relevanz.