Dynamische Messungen in Flüssigkeiten jetzt auch im Labor

Neu entwickeltes Laborspektrometer funktioniert mit einer Plasmalichtquelle und ermöglicht Zeitauflösungen von 500 Pikosekunden

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.

Publikation:

Optica (2024): Laboratory soft X-ray setup for transient absorption experiments in the liquid phase using a laser-produced plasma source
Richard Gnewkow, Holger Stiel, Adrian Jonas, Silvana Schönfelder, Jürgen Probst, Thomas Krist, Birgit Kanngiesser, Ioanna Mantouvalou
DOI: 10.1364/OPTICA.517698

Kontakt:

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
Forschergruppe SyncLab - Kombinierte Röntgenmethoden am BLiX und bei BESSY II

Richard Gnewkow
+49 30 8062-15067
richard.gnewkow(at)helmholtz-berlin.de

Dr. Ioanna Mantouvalou
ioanna.mantouvalou(at)helmholtz-berlin.de

Pressemitteilung HZB vom 23.05.2024