Chiralitätseffekte in Cluster aus chiralen Stoffen in Helium

Chiralität kommt in vielen Bereichen der Wissenschaft vor. Ein Objekt, welches sich nicht mit seinem Spiegelbild überlagern lässt, wird als chiral bezeichnet. Die menschliche Hand ist ein typisch chirales Objekt, ebenso wie Schneckenhäuser oder Schrauben. Moleküle, in denen sich ein Kohlenstoffatom mit vier unterschiedlichen Substituenten verbindet, ist ebenfalls chiral und kommt in zwei Enantiomeren, einer linkshändigen und einer rechtshändigen Form vor. Ribose, der Zucker der DNA sowie alle Aminosäuren außer Glycin sind chirale Moleküle und kommen in Organismen praktisch nur in einer enantiomeren Form vor. Basierend auf neuartigen Experimenten wird im vorliegenden Projekt der Einfluss von Chiralität bei der Bildung von molekularen Cluster erforscht. Einige Aminosäuren bevorzugen Cluster aus nur einem Enantiomer, auch wenn eine 1:1 Mischung beider molekularen Formen verwendet wird. Wir konnten diesen Effekt auch bei Clusterionen beobachten, die im Inneren von Heliumtröpfchen gebildet wurden. Durch die Kombination von hochauflösender Massenspektrometrie mit Laserspektroskopie in Heliumnanotröpfchen erwarten wir detaillierte Informationen über den Aufbau und die Struktur dieser chiralen Clusterionen. Experimente mit isotopenmarkierten Molekülen geben klare Auskunft, ob und in welchem Ausmaß Homochiralität bei der Clusterbildung eine Rolle spielt. In früheren Experimenten konnte sowohl beim Beschuss von Aminosäurencluster mit Ionen von einer kinetischen Energie von keV oder mit langsamen Elektronen das Abspalten eines neutralen Bruchstücks mit einer Masse von 18 atomaren Masseneinheiten beobachtet werden. Es handelt sich hierbei wahrscheinlich um Wasser, was wiederum das Produkt der Bildung einer Peptidbindung sein könnte. Peptidbindungen lassen sich sehr genau durch Photofragmentation mittels UV-Licht bei einer Wellenlänge von etwa 200 nm nachweisen. Mit einem kürzlich angeschafften durchstimmbaren Laser kann nun geklärt werden, ob diese einfachen Prozesse tatsächlich aus Aminosäuren Peptide bauen können. Sollte dies der Fall sein, dann sind diese Ergebnisse auch für die Astrochemie und Astrobiologie von großer Bedeutung, denn Aminosäuren, die auf kalten Staubteilchen angefroren sind, werden in interstellaren Wolken von Ionen und Elektronen im oben erwähnten Energiebereich bestrahlt. Zwei Doktoranden werden diese Experimente unter der Anleitung und Betreuung durch den Projektleiter und durch Unterstützung von erfahren Postdocs durchführen. Darüber hinaus werden internationale Zusammenarbeiten mit Forschungsgruppen in Deutschland, den USA und Israel dazu beitragen, dass die geplanten Ziele auch erreicht werden.

Chiralität kommt in vielen Bereichen der Natur vor. Ein Objekt, welches sich nicht mit seinem Spiegelbild überlagern lässt, wird als chiral bezeichnet. Die menschliche Hand ist ein typisch chirales Objekt, ebenso wie Schneckenhäuser oder Schrauben. Moleküle, in denen sich ein Kohlenstoffatom mit vier unterschiedlichen Substituenten verbindet, ist ebenfalls chiral und kommt in zwei Enantiomeren, einer linkshändigen und einer rechtshändigen Form vor. Ribose, der Zucker der DNA sowie alle Aminosäuren außer Glycin sind chirale Moleküle und kommen in Organismen praktisch nur in einer enantiomeren Form vor. Basierend auf neuartigen Experimenten wurde im vorliegenden Projekt der Einfluss von Chiralität bei der Bildung von molekularen Clustern erforscht. Einige Aminosäuren bevorzugen Cluster aus nur einem Enantiomer, auch wenn eine 1:1 Mischung beider molekularen Formen verwendet wird. Wir konnten diesen Effekt auch bei Clusterionen beobachten, die im Inneren von Heliumtröpfchen gebildet wurden. Unterschiede im Clusterwachstum sowie der Stabilität der gebildeten Clusterionen aus homochiralen und racemischen Proben chiraler Moleküle wurde mittles hochauflösender Massenspektrometrie untersucht. Für dieses Projekts wurden zwei neue Apparaturen entwickelt und aufgebaut, mit dem Ziel die Ausbeute an heliumsolvatisierten Ionen für Laserspektroskopie zu steigern. Dabei wurden zwei unterschiedliche Verfahren entdeckt, die beide auf dem Pickup von Dotanten in mehrfachgeladene Heliumtröpfchen basieren. In einem Fall werden kalten Ionen mit bis zu einigen 100 angelagerten Heliumatomen durch Schrumpfen der Heliumtröpfchen in einer mit Heliumgas gefüllten Stoßzelle extrahiert, im anderen Fall entstehen solchen ionischen Komplexe beim Zerstäuben dieser Heliumtröpfchen durch den Aufprall an eine Oberfläche. Neben der Spektroskopie von kationischen Atomen und Molekülen, erlauben beide Methoden auch Laserspektroskopie von negativ geladenen Ionen und beliebigen Komplexen und Clustern, die sich im Inneren von Heliumtröpfchen erzeugen lassen. Im Rahmen dieses Projekts wurde dies anhand von Beispielen ausführlich demonstriert.