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UV-Vis- bis Fern-IR-Absorptionsspektroskopie an Molekülionen von astrophysikalischer und -chemischer Relevanz

UV-Vis- bis Fern-IR-Absorptionsspektroskopie an Molekülionen von astrophysikalischer und -chemischer Relevanz
chair:

UV-Vis- bis Fern-IR-Absorptionsspektroskopie an Molekülionen (hydrierte Fullerene C60Hx+/-, Ovalene C32H14+/-) von astrophysikalischer und -chemischer Relevanz

links:
place:

Master Thesis

faculty / division:

Chemistry

institute:

Institut für Physikalische Chemie mikroskopischer Systeme

starting date:

ab sofort

Kontaktperson:

Dr. Bastian Kern

UV-Vis- bis Fern-IR-Absorptionsspektroskopie an Molekülionen (hydrierte Fullerene C60Hx+/-, Ovalene C32H14+/-) von astrophysikalischer und -chemischer Relevanz

 

Hintergrund. Sowohl in Infrarot-Emissionsspektren (aufgenommen z. B. mit dem Satellit „Spitzer“) als auch in Absorptionsspektren im sichtbaren bis Nahinfrarotbereich (Vis bis NIR;  aufgenommen z. B. mit dem Teleskop "SOFIA" an Bord einer Boeing 747) gibt es starke Hinweise auf das Vorkommen von großen kohlenstoffhaltigen Molekülen und Molekülionen im interstellaren Medium. Beispiele für solche Moleküle sind Fullerene [1] (geschlossene Kohlenstoffmoleküle), polyaromatische Kohlenwasserstoffe (PAHs) oder sp-hybridisierte Kohlenstoffketten (Polyine, z. B. HC11N). Eine detaillierte Liste ist hier zu finden. Obwohl charakteristische Absorptionen und Emissionen in astronomischen Spektren schon lange bekannt sind konnten erst in den letzten Jahren die ersten spezifischen Moleküle aus dieser Gruppe eindeutig identifiziert werden: 2010 wurden die Fullerene C60 und C70 über Infrarotemissionen nachgewiesen [2], 2012 gab es erste Hinweise auf einen Beitrag von C60-Kationen zu den IR-Emissionen [3], und 2015 wurden mit dem C60-Kation der erste Träger von NIR-Absorptionen identifiziert [4].

 

 

Infrarot-Teleskop „Spitzer“ vor IR-Aufnahme der Milchstraße (Simulation) (NASA/JPL-Caltech, http://www.spitzer.caltech.edu/) und flugzeuggetragenes Teleskop „SOFIA“ (DLR/NASA, http://www.dlr.de/dlr/desktopdefault.aspx/tabid-10419 )

 

Obwohl es viele weitere Kandidatmoleküle gibt, konnte bisher noch kein weiteres großes Molekül oder Molekülion (>20 Atome) im Weltall nachgewiesen werden. Ein Grund dafür sind die aufwändigen Labor-messungen: um die Labordaten und die astronomischen Messungen vergleichen zu können müssen die Moleküle im Labor unter ähnlichen Bedingungen untersucht werden wie im Weltall vorherrschen, d. h. die Moleküle müssen kalt und isoliert vorliegen. Außerdem muss die Dichte der Moleküle ausreichend groß sein, um schwache Absorptionen messen zu können.

 

 

                                              

Links oben: Herstellen des Substrats durch aufdampfen einer spiegelnden Goldschicht auf eine Saphir-Platte. Rechts oben: Einbringen des vergoldeten Substrats in die Vakuumkammer mit einer Transferstange. Unten: Fertige Probe. In der Mitte des Substrats sind die deponierten C60 Kationen als rötlicher Fleck zu erkennen, an der Seite des Substrathalters kann die Neonmatrix als helle Schicht erahnt werden.

 

Die am Besten geeignete Methode für die Spektroskopie der interessanten Molekülspezies ist die Matrix-isolations-Spektroskopie [5]. Hierbei werden massenselektierte Molekülkationen (z. B. Fullerenfragmente C68, C66, C58, PAHs wie Dicoronen und Ovalen, oder Diamantoide) in Tieftemperatur-Edelgasmatrices (T=5K) abgeschieden. Durch die tiefen Temperaturen, die nur schwach wechselwirkende Umgebung (der Argon- oder Neonkristall) und die erreichbaren hohen Molekül- bzw. Ionendichten ist die Messung der charakteristischen elektronischen und Schwingungsübergänge in Absorption möglich.

Bei dem vorhandenen Experiment werden Molekülkationen durch Elektronenstoßionisation erzeugt, anschließend in der Gasphase massenselektiert und in die Tieftemperatur-Edelgasmatrix deponiert. Die so hergestellten Proben können dann vom UV-Bereich bei 200nm bis in den Fern-IR-Bereich bei etwa 100cm-1/100µm untersucht werden.  Die gemessenen Absorptionen werden in Zusammenarbeit mit Astronomen mit Spektren aus dem Weltall verglichen um die Molekülspezies nachzuweisen. Zudem können durch Vergleich der experimentellen Daten mit DFT-Simulationen (Turbomole) die Laborergebnisse unterstützt werden.

 

Thema/Arbeit:

Abscheidung von C60Hx+ und C32H14+ in Tieftemperatur-Matrices
Spektroskopie der hergestellten Proben mittels CCD-Gitter-Spektrometer (UV-NIR) und Fourier-Transformations-IR-Spektroskopie (FTIR, NIR-Fern-IR)
Simulation der gemessenen Spektren mit DFT (Turbomole)
Anpassen des experimentellen Aufbaus und der Datenanalyse an das jeweilige System
Vergleich der Laborergebnisse mit astronomischen Messungen zur Identifikation von Emissions- und Absorptionslinien

 

 

 

Vergleich experimenteller IR-Absorptions-Spektren mit DFT-Rechnungen und die Zuordnung der im Experiment bestimmten Absorptionen zu den Ladungszuständen des Fulleren C60.
Rechts: Fulleren-C60 Pulver vor der Sublimation und Elektronenstoßionisation.

 

[1] H. W. Kroto, J. R. Heath, S. C. O’Brien, R. F. Curl, R. E. Smalley, Nature 318, 1985, 162-163

[2] J. Cami, J. Bernard-Salas, E. Peeters, S. E. Malek, Science 329, 2010, 1180-1182

[3] D. Strelnikov, A. Böttcher, B. Kern, M. M. Kappes, 22nd Int. Conference on High  Resolution Mol. Spec. 2012

      O. Berné, G. Mulas, C. Joblin, A&A 550, 2013

      D. Strelnikov, B. Kern, M. M. Kappes, A&A 584, 2015

[4] E. K. Campbell, M. Holz, D. Gerlich, J. P. Maier, Nature 523, 2015, 322-323

[5] B. Kern, D. Strelnikov, P. Weis, A. Böttcher, M. M. Kappes, J. Phys. Chem. A 117, 2013, 8251-8255

      B. Kern, D. Strelnikov, P. Weis, A. Böttcher, M. M. Kappes, J. Phys. Chem. Lett. 5, 2014, 457-460