Laser-Induced Phase Transitions in Gas-Phase Suspended Molecular Nanoparticles
Final Report Abstract
Hauptzielsetzung des Projekts war die experimentelle und computerchemische Untersuchung von Phasenumwandlungen an molekularen Nano- und Mikro-Partikeln in der Aerosolphase, insbesondere Wasserpartikeln. Dazu sollten u.a. IR-Laserlichtquellen eingesetzt werden. Das Projekt verlief erfolgreich, in zwei Bereichen mit herausragenden Ergebnissen. An technischen Neuerungen wurde entwickelt und aufgebaut: ein Einlasssystem zur Unterkühlung von molekularen Gasen bis unter 10 K; ein System zur Einkopplung von IR-Laserstrahlung in ein bereits bestehendes Kollisionskühlsystem; ein Grund-Experiment zur Untersuchung des Gefrierverhaltens unterkühlter schwebender Tropfen; ein Experiment zur Untersuchung der Einwirkung von IR-Laserstrahlung auf akustisch levitierte Tropfen. Der Arbeitsschwerpunkt hat sich stärker als ursprünglich geplant auf den experimentellen Bereich konzentriert. Bei der Lasereinstrahlung auf molekulare Nano- und Mikropartikel wurde eine Wirkung nachgewiesen, die mit komplexen, nicht einfach zu interpretierenden Folgeprozessen an den Partikeln verbunden war. Daher haben wir uns zunächst auf den zeitlich hochaufgelösten Wirkungsnachweis dieser Strahlung an Einzeltropfen konzentriert. Vielfältige reproduzierbare Desintegrationserscheinungen konnten dokumentiert werden. Moleküle von CH 4 und CO2 konnten um den Faktor sieben im Verhältnis zu entsprechenden Dampfdrücken im thermodynamischen Gleichgewicht, d.h. bis auf unter 10 K in der Gasphase unterkühlt und IR-spektrometrisch im thermischen Gleichgewicht nachgewiesen werden. Die Anwendbarkeit dieser Technik auf andere Gasmoleküle wird als sicher erwartet, sodass sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten eröffnen, wie z.B. eine Verbesserung und Vereinfachung der molekularen Strukturanalyse (Hyperpotentialflächen). Kleine Wasserpartikel in der Aerosolphase, insbesondere solche mit Oberflächenbedeckung durch N2, konnten bis hinunter auf kleine Größen von 20 H2O-Molekülen erzeugt und spektroskopisch im thermischen Gleichgewicht untersucht werden. Bei größeren Wasserpartikeln wurde bei 167 K im Prozess der Partikelbildung aus der Gasphase ein Übergang beobachtet, der mit einem kurzzeitigen Auftreten der flüssigen Phase als Zwischenstufe erklärt werden könnte. Um hier Klarheit zu erhalten, wurden ähnliche Kondensationsprozesse aus der Gasphase an anderen Aerosolen, insbesondere aus C2H6 (Ethan) untersucht, welches thermodynamisch bedingt eine höhere Neigung zur Bildung der flüssigen Parikelphase aufweist. Hier konnte die Evolution der Phasenübergänge von Ethanpartikeln in vielfältiger Weise mit drei beteiligten Festkörperphasen und der flüssigen Phase im Temperaturbereich von 20 bis 90 K IR-spektrometrisch erfasst werden. Dieses Ergebnis ist deshalb von hoher Bedeutung für den Nachweis von Ethanaerosolen in der Titan-Atmosphäre. Es unterstützt als kostengünstiges Laborexperiment wesentlich die diesbezügliche Datenanalyse der mehrere Milliarden Dollar schweren Cassini-Mission. Als wahrscheinlich bedeutendstes Ergebnis ist die Dokumentation und Charakterisierung des schnellen Gefrierprozesses von schwebenden (reinen und salzhaltigen) unterkühlten Wassertropfen im Millimeterbereich in hoher Zeit- und Raumauflösung im Infraroten und Sichtbaren zu nennen. Dabei entsteht in der ersten schnellen Gefrierphase ein schwammartiges „Netzwerk-Eis“ mit nur 20 bis 25prozentiger Dichte. Die Entwicklung der Gefriergeschwindigkeit, Gefrierfront, Bildungswärmeproduktion, Temperaturgradient, u.ä. wurde erfasst. Bei sämtlichen genannten Ergebnissen haben computerchemische Anwendungen, wie Ab-initio- und Moleküldynamik-Verfahren sowie Diskrete-Dipol-Approximations-Rechnungen eine wichtige, nicht nur unterstützende Rolle gespielt. Insbesondere die letzten beiden genannten Ergebnisse werden als sehr aussichtsreich für Folgeuntersuchungen eingeschätzt. Sie werden bereits von der DFG in Form eines Heisenberg-Stipendiums gefördert. Ein ergänzender Antrag auf Sachbeihilfe befindet sich z.Z. bei der DFG in der Begutachtungsphase.
Publications
- Observation of a transition in the water-nanoparticle formation process at 167 K. J. Chem. Phys. 126 (2007) 134711, 6 pages
S. Bauerecker, A. Wargenau, T. Kessler, M. Schultze, R. Tuckermann, J. Reichardt
- Infrared analysis of CO nanoparticles in the aerosol phase. J. Chem. Phys. 128 (2008) 154715, 10 pages
E. Dartois, S. Bauerecker
- Monitoring ice nucleation in pure and salty water via high speed imaging and computer simulations, J. Phys. Chem. C 112 (2008) 7631-7636
S. Bauerecker, P. Ulbig, V. Buch, L. Vrbka, P. Jungwirth
- Ethane aerosol phase evolution in Titan’s atmosphere, Icarus 199 (2009) 564 – 567
S. Bauerecker, E. Dartois
- Infrared spectroscopy of ozone and hydrogen chloride aerosols, Phys. Chem. Chem. Phys. 11 (2009) 7848-7852
C. Medcraft, E.G. Robertson, C.D. Thompson, S. Bauerecker, and D. McNaughton
