Dynamik und Spektroskopie chemischer Reaktionen an der Oberfläche von Wasser und Lösungen (SDynG-LI)

• Antragsteller: Professor Dr. Bernd Abel, seit 3/2018; Privatdozent Dr. Uwe Hergenhahn; Dr. Bernd Jürgen Winter
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 340714732

Die Wechselwirkungen von Gasphasenmolekülen untereinander und an Festkörpern sind dank der experimentellen Fortschritte der letzten Jahrzehnte sehr gut verstanden. Gleichwertige Messungen an flüssigen Oberflächen, insbesondere der von Wasser, waren hingegen bisher nicht möglich, und unser Verständnis ist hier sehr begrenzt. In diesem Antrag beschreiben wir die Entwicklung von Methoden, die es möglich machen werden, die molekulare Streuung und die chemische Reaktivität an Wasseroberflächen experimentell zu untersuchen.Um gleichzeitig alle Aspekte der Chemie an flüssigen Grenzflächen erforschen zu können, schlagen wir hier eine Kollaboration zwischen drei Gruppen in Leipzig, Berlin, und Lausanne vor, wobei an jedem Standort ein spezifischer Aspekt des Kernthemas bearbeitet wird. Alle Experimente bauen auf flüssigen microjets im Hochvakuum auf: In einem ersten Experiment, welches am Helmholtz-Zentrum Berlin durchgeführt werden wird, lassen wir den microjet mit einer Gasatmosphäre wechselwirken und verwenden dann Synchrotronstrahlung, um mit core-level Elektronenspektroskopie in-situ die neu gebildeten Spezies zu bestimmen. Im zweiten Experiment, welches an der Universität Leipzig und am Leibniz-Institut für Oberflächenmodifikation stehen wird, werden Moleküle mittels eines Molekularstrahls auf der Oberfläche des microjets abgelagert und mittels Photoelektronenspektroskopie charakterisiert. Im dritten Experiment, das an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Schweiz) aufgebaut wird, kreuzen wir einen Molekularstrahl mit einem microjet, um die Streudynamik an der Grenzfläche zwischen Gas und Flüssigkeit untersuchen zu können.Diese Zusammenarbeit vereint führende Gruppen aus den Bereichen um Molekularstrahlen, flüssige microjets, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie und HHG. Die drei Gruppen gemeinsam stellen genau den Erfahrungsschatz zusammen, der für die vorgeschlagene Erforschung der Dynamik und Spektroskopie an flüssigen Grenzflächen nötig ist.Im Rahmen des vorgeschlagenen Projektes werden wir das Potential unserer unterschiedlichen Zugänge zeigen, indem wir drei prototypische Systeme untersuchen: Halogen Hydride, die sich ideal zur Erforschung der Protonenaustauschdynamik in wässrigen Lösungen eignen; NOx Moleküle, mit denen wir eine der wichtigsten atmosphärischen Molekülklassen angehen werden, die insbesondere im Zusammenhang mit saurem Regen von hoher Relevanz ist; sowie NH3, worin grundlegende Aspekte im Zusammenhang mit Protonenaustausch kombiniert werden mit Atmosphärenchemie, speziell in Kombination mit den NOx Molekülen.Wir erwarten von dieser Kollaboration nichts weniger, als dass wir ein komplett neues Gebiet innerhalb der Chemischen Physik starten werden, das es uns in den nächsten Jahren erlauben wird, das Verständnis der Gas-Flüssig Wechselwirkungen auf ein der reinen Gasphasen-Chemie und der Chemie an Festkörpern vergleichbares Niveau zu heben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Partnerorganisation: Schweizerischer Nationalfonds (SNF)
• Kooperationspartner: Dr. Andreas Osterwalder
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr. Emad Flear Aziz, bis 3/2018