Reaktionen durch He Anionen in dotierten He Tröpfchen

Negativ geladene He Atome sind zwar schon seit 1939 bekannt, aber 2014 wurden sie erstmals in Heliumtröpfchen entdeckt. Dieses Anion lässt sich gut als ein positiv geladenes He Kation beschreiben, welches zwei Elektronen schwach an sich bindet. Während freies He* nur im niedrigsten elektronischen Zustand lang genug für massenspektrometrische Untersuchungen lebt, scheinen in Heliumtröpfchen auch höher angeregte Anionen zu existieren. Der Wirkungsquerschnitt für die Erzeugung von He* zeigt drei deutliche Peaks, die sehr unterschiedlich auf Verunreinigungen im Heliumtröpfchen reagieren. Verschiedene He Anionen unterscheiden sich in ihrer Beweglichkeit und auch in den möglichen Reaktionen mit Dotanten. Bei höherer innerer Energie können auch stärker endothermeProzessein dotierten Heliumtröpfchen ablaufen. Um die verschiedenen Zustände von He* im Detail zu erforschen benötigt man eine Elektronenquelle, die neben einer Energieauflösung von E<0.3eV auch einen Elektronenstrom von mindestens 100A liefert. Eine solche Elektronenkanone wird im vorliegenden Projekt entwickelt und in eine bereits existierende Apparatur zur Erforschung von Heliumtröpfchen eingebaut. Neben der Erforschung der einzelnen Zustände der Heliumanionen werden auch deren Reaktionsprozessemit unterschiedlichen Dotantenerforscht. Ein Zweielektronentransfer, bei dem das He* beide schwach gebundenen Elektronen gleichzeitig auf einen neutralen Dotanten überträgt wurde bereits für Fullerene als Dotanten beobachtet. Um einem He* beide äußeren Elektronen zu entfernen wird für den niedrigsten Zustand des Heliumanions eine Energie von 4.9eV benötigt. Für höher angeregte He* verringert sich diese Energiebarriere und die Reaktion sollte entsprechend wahrscheinlicher ablaufen. Neben dem Zweielektronentransfer können He* Anionen auch Reaktionen mit Dotanten durch ihre innere Energie von >19.7eV und ihr relativ schwach gebundenes äußerstes Elektron (77meV) triggern. He* erzeugt z.B. in Heliumtröpfchen, die mit Alkalimetallen und halogenhaltigen Molekülen dotiert wurden winzige Salzkristalle. Im Rahmen dieses Projekts werden verschiedene Reaktionen, die durch He* in unterschiedlichen Zuständen ausgelöst werden, in Abhängigkeit von der Tröpfchengröße und der Art der Dotanten erforscht.

Die hauptsächliche Zielsetzung des Projektes war es, die Bildung und Eigenschaften von metastabilen negativen Ionen von Helium zu untersuchen, das bedeuted von He*- and He2*-. Diese beide Arten wurden kürzlich als häufig vorhandene negativ geladene Arten in großen undotierten Helium Nanotröpfchen (HND) entdeckt. Die vorgeschlagene Studie würde mit Experimenten mit negativ geladenen HND dotiert mit Wasser, Alkoholen und Metallen daran anschließen. Abschließend war geplant, Daten zu positiv geladenen HND dotiert mit Neon und außerdem einer Mischung aus Metallatomen und C60 zu erfassen, um die Bildung von Salz oder Verbrennungsreaktionen zu beobachten. Die Anionenproduktion sollte über Elektronenanlagerung durchgeführt werden. Folglich beinhaltete das Projekt ebenfalls die Konstruktion einer neuen Ionenquelle mit hinreichender Auflösung der Elektronenenergie, um die Feinstruktur der elektronischen Zustände von Helium zu untersuchen. Die Daten der metastabilen negativen Ionen wurden teilweise an einem anderen Aufbau gewonnen als ursprünglich vorgeschlagen, da nachgewiesen werden konnte, dass dieser ein deutlich besseres Ergebnis für Messungen von Kationen erzielen konnte. Die Einbuße der Neuartigkeit des Themas durch die Messungen an einer anderen Maschine und zusätzlich einige unvorhersehbare Hindernisse beim Bau der Ionenquelle hatten eine Änderung der Zielausrichtung zur Folge. Während die Hindernisse behoben wurden, wurde der aktuelle und funktionsfähige experimentelle Aufbau genutzt um Daten von Kationen zu sammeln. Diese Strategie hatte einen überraschend förderlichen Effekt für den Gesamtverlauf des Projektes und eröffnete einen neuen Untersuchungszweig in ein beinah unerforschtes Gebiet das ungewöhnlich starke chemische Verhalten von Goldatomen bei ultrakalten Temperaturen. Die neuen Erkenntnisse erhöhen den Wissensstand des Gebietes, da die beobachteten Komplexe, allen voran RAuR+ (R: Edelgas, H2, C60 oder aromatische Moleküle), vorher bei diesen Temperaturen entweder als nicht beobachtbar galten, nur theoretisch vorhergesagt wurden oder aber völlig unbekannt waren. Die Relevanz dieser Ergebnisse für anderen Wissenschaftsgebiete, speziell für die Chemie und Biochemie, ist daher unmittelbar, da nun auch bei Raumtemperatur Synthesemöglichkeiten gesucht werden können und die Stabilität der Komplexe überprüft werden kann. In einem weiteren Schritt können die neu entdeckten Komplexe, sobald die Stablität überprüft wurde, auf ihre nützlichen Eigenschaften hin untersucht werden.