Dynamische Messungen in Flüssigkeiten jetzt auch im Labor
Die gestrichelten Linien markieren das erste dünne Flüssigkeits-‚Blatt‘, in dem Moleküle gelöst sind. Im oberen Teil befinden sich zwei Düsen, im unteren Teil ein Auffangbehälter (Bild links). Das Bild in der Mitte zeigt die Transmission des Flachstrahls. Rechts ist das Spektrum der Probe auf dem CCD-Detektor zu sehen. © HZB
Ein Team aus Berliner Forscher*innen hat ein Laborspektrometer entwickelt, um chemische Prozesse in Lösung zu analysieren – und das mit 500 ps Zeitauflösung. Dies ist nicht nur für die Forschung an molekularen Prozessen in der Biologie interessant, sondern auch für die Entwicklung von neuartigen Katalysatormaterialien. Bisher war dafür allerdings meist Synchrotronstrahlung erforderlich, wie sie nur an großen, modernen Röntgenquellen wie BESSY II zur Verfügung steht. Nun funktioniert das Verfahren mit einer Plasmalichtquelle im Labormaßstab.
„Durch unseren Laboraufbau wird diese Messmethode nun für eine breitere Community zugänglich“, sagt HZB-Physikerin Dr. Ioanna Mantouvalou, die die Entwicklung zusammen mit Partnern aus der Technischen Universität Berlin, dem Max-Born-Institut, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt sowie der Firma Nano Optics Berlin vorangetrieben hatte. „Die Labormessungen können in einem ersten Schritt auch genauer umgrenzen, wo weitere Analysen an Synchrotronquellen sinnvoll und vielversprechend sind. Dadurch werden knappe Ressourcen besser genutzt“, sagt Mantouvalou.
Zeitaufgelöste Röntgenspektroskopie im „weichen“ Energiebereich bietet Zugang zu Eigenschaften von organischen Materialien und ist damit ideal, um dynamische Veränderungen in der Elektronenstruktur einzelner Elemente in ungeordneten Systemen zu untersuchen. Messungen von flüssigen Lösungen, in denen diese Moleküle oder Komplexe gelöst sind, sind jedoch besonders anspruchsvoll. Sie erfordern einen hohen Photonenfluss und extrem geringes Rauschen. Daher sind diese Experimente meist auf Großgeräte wie moderne Synchrotronlichtquellen beschränkt.
Das neue Labormessgerät nutzt dagegen Licht eines Plasmas, welches durch die Interaktion von einem intensiven Laserpuls mit Metall entsteht. Das neue Instrument ermöglicht Zeitauflösungen von 500 Pikosekunden. Die neu entwickelte Detektionsmethode ermöglicht eine sehr „stabile“ Detektion. „Dies konnten wir in unserer Studie an zwei Beispielen in wässriger Lösung demonstrieren. Wir haben dafür die Metall-Komplexverbindungen [Ni(CN)4]2- und [Fe(bpy)3]2+ untersucht“, sagt Richard Gnewkow, Erstautor und Doktorand im Team von Mantouvalou.
- Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen DoppelschichtsystemenSpintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.
- Elektrokatalysatoren: Ladungstrennung an der Fest-Flüssig-Grenzfläche modelliertWasserstoff spielt für die Wende hin zur CO₂-Neutralität eine entscheidende Rolle, sowohl als Energieträger als auch als Ausgangsstoff für die grüne Chemie. Die großtechnische Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse sowie vieler anderer chemischer Produkte erfordert jedoch deutlich kostengünstigere und effizientere Katalysatoren. Um Elektrokatalysatoren gezielt zu verbessern, ist es von großem Nutzen, die elektrochemischen Prozesse genau zu verstehen, die an der Grenzfläche zwischen dem festen Katalysator und dem flüssigen Medium ablaufen. Ein europäisches Team hat In der Fachzeitschrift Nature Communications ein leistungsfähiges Modell vorgestellt, das die Ladungstrennung an der Grenzfläche, die Bildung der elektrischen Doppelschicht sowie deren Einfluss auf die katalytische Aktivität hervorragend beschreibt.
- Umweltchemie an BESSY II: Radikale in GewässernWie entstehen in wässrigen Lösungen unter UV-Licht so genannte Radikale? Diese Frage spielt sowohl für die Gesundheitsforschung als auch für den Umweltschutz eine wichtige Rolle, beispielsweise im Zusammenhang mit der Überdüngung von Gewässern durch die Landwirtschaft. Ein Team hat nun an BESSY II eine neue Methode etabliert, um Hydroxyl-Radikale in Lösung zu untersuchen. Mit einem Trick konnten sie überraschende Einblicke in den Reaktionspfad gewinnen.