Blick in die Photochemie der Atmosphäre

Der Nanokosmos ist ständig in Bewegung. Die Natur wird dirigiert vom Wechselspiel zwischen Licht und Materie: Licht trifft auf Teilchen und setzt damit Reaktionen in Gang - Elektronen wechseln ihre Position, Atome verändern sich und Moleküle werden umgebaut. Auf den Oberflächen von Nanoteilchen in der Atmosphäre können solche Prozesse erheblich beschleunigt sein. Einen solchen lichtgetriebenen, molekularen Prozess auf Aerosolen hat nun das Team um Professor Matthias Kling von der Fakultät für Physik und Dr. Boris Bergues vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) detailliert beobachtet. Die Wissenschaftler haben eine neue Methode, die Reaktions-Nanoskopie, entwickelt. Mit ihrer Hilfe untersuchten sie, wie sich Ethanol- und Wassermoleküle an der Oberfläche von Nanoteilchen aus Glas verhalten, wenn sie unter den Einfluss von starker Lichtstrahlung geraten.

Die Forscher schickten wenige Femtosekunden lange Laserpulse auf die kugelförmigen Teilchen. Eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer milliardstel Sekunde (10-15 Sekunden). Mit der Reaktions-Nanoskopie zeichneten die Wissenschaftler erstmals in drei Dimensionen mit Nanometer Auflösung auf, was bei dieser ultrakurzen Interaktion passiert. „Wir beobachteten, wie sich vor allem Wasserstoffteilchen aus den Molekülen an der Oberfläche der Nanoteilchen lösten und von der Oberfläche wegbeschleunigt wurden. Dieser Prozess bildet die Grundlage für die hohe räumliche Auflösung unserer Abbildungstechnik“, erklärt Boris Bergues. „Mit unserer Technologie sind wir insbesondere in der Lage, genau zu sehen an welcher Stelle des Nanoteilchens die Reaktionsausbeute am höchsten war. Damit haben wir erstmals eine Reaktion von Molekülen an der Oberfläche von Aerosolen mit höchster räumlicher Auflösung verfolgt“, ergänzt Matthias Kling.

Solche Vorgänge finden in der Atmosphärenphysik und der Astrochemie kontinuierlich statt. So trifft Licht in der Atmosphäre auf Aerosole. Das löst Reaktionen aus, die unter Umständen für die Entwicklung des Klimas von Bedeutung sind. Die aktuellen Ergebnisse der Münchner Laserphysiker könnten gerade im Bereich der Atmosphärenchemie in naher Zukunft helfen, solche Prozesse besser zu verstehen. (Nature Communications 2019)