Forscher rücken molekulare Filme der Photokatalyse in greifbare Nähe
Neu visualisierter Prozess könnte zu einer besseren (effektiveren?) solaren Energiegewinnung führen
Ein Team von Forschern der Technischen Universität Dänemark (DTU), dem auch European XFEL-Wissenschaftler angehören, hat gezeigt, dass es möglich ist, „molekulare Filme“ der Wechselwirkungen zwischen lichtaktivierten Molekülen und ihrer Umgebung aufzuzeichnen. Die Ergebnisse sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer besseren Nutzung der Solarenergie. Das Team setzte dazu modernste Röntgeninstrumente und hochentwickelte Methoden der computergestützten Chemie ein, in enger Zusammenarbeit mit Forschern von SLAC National Accelerator Laboratory in den USA, der Universität Lund in Schweden und der KAIST-Universität in Südkorea.
Visualisierung der Neuanordnung eines (weißen) Lösungsmittel-Moleküls im Experiment
Technische Universität Dänemark
Die Forscher konnten die Wechselwirkung zwischen einem Photokatalysator – einer Substanz, die Licht in chemische Energie umwandelt – und einem Lösungsmittel, mit dem er reagieren kann, im Detail verfolgen. Die Ergebnisse, die in Nature Communications veröffentlicht wurden, stellen einen bedeutenden Schritt für das Verständnis der Dynamik – d.h. der Bewegungen innerhalb eines Moleküls – der künstlichen Photosynthese dar, anhand der Moleküle Solarenergie in chemischen Bindungen absorbieren und speichern. Solche Ergebnisse können den Weg für die gezielte Entwicklung von lichtaktivierten Molekülen ebnen, die Wasserstoffbrennstoff aus Wasser herstellen und damit die natürliche Photosynthese nachahmen, bei der in der Natur Solarenergie und Kohlendioxid in Pflanzenzucker umgewandelt werden.
„Photokatalytische Systeme bieten ein großes Potenzial. Wenn wir die zugrundeliegende Dynamik der chemischer Reaktionen in lichtabsorbierenden Molekülen verstehen, können wir rational entscheiden, wie sich deren Fähigkeit, Kraftstoffe oder andere wichtige Moleküle herzustellen, verbessern lässt“, erklärt Prof. Martin Meedom Nielsen von der DTU, Fachbereich Physik.
Der in der vorliegenden Studie untersuchte Photokatalysator ist als metallorganische Verbindung typisch für eine große Klasse von Molekülen, die eine ganze Reihe photochemischer Reaktionen verrichten. Die Kombination aus Experimenten und computergestützter Chemie zeigte, dass die Lichtanregung des Moleküls eine großräumige Strukturdynamik initiiert und die Art der Wechselwirkung mit den umgebenden Lösungsmittelmolekülen völlig verändert. Vor der Lichtabsorption zieht der Photokatalysator die Lösungsmittelmoleküle über diffuse und unspezifische Wechselwirkungen an. Die Lichtabsorption ändert diese Wechselwirkungen in sehr spezifische Wechselwirkungen, die bewirken, dass sich die Lösungsmittelmoleküle um 180 Grad drehen und an das aktive Zentrum des Photokatalysators andocken. Diese Art von Dynamik wurde bisher noch nie visualisiert.
Viele der wichtigen, nach der Lichtaktivierung von photokatalytischen Molekülen auftretenden dynamischen Effekte laufen auf ultraschnellen Zeitskalen von wenigen hundert Femtosekunden ab. Um solche ultraschnellen Prozesse zu verfolgen, brauchen die Forscher hochspezialisierte, ausgeklügelte Instrumente. Nielsen und sein Team nutzten den Freie-Elektronen-Röntgenlaser LCLS am SLAC National Accelerator Laboratory in Kalifornien, USA.
„Wir warten mit Spannung darauf, den nächsten Schritt in der Erforschung der Moleküldynamik gehen zu können“, meint Nielsen, dessen Gruppe sich auf ihren Einsatz am European XFEL vorbereitet, der 2017 den Nutzerbetrieb aufnehmen soll.
„Es war eine tolle Gelegenheit, Teil des Teams zu sein und das Potenzial der ultraschnellen Röntgenstreutechnik an Flüssigkeiten ausnutzen zu können. Wir werden diese Methode auch beim FXE-Instrument am European XFEL implementieren und den Nutzern zur Verfügung stellen“, erklärt Wojciech Gawełda, Wissenschaftler bei European XFEL. „Die Ergebnisse sind für das FXE-Instrument am European XFEL sehr wichtig“, sagt FXE-Gruppenleiter Christian Bressler. „Die einzigartigen Experimentiermöglichkeiten unseres Instruments werden es erlauben, Röntgenstreutechniken und Methoden der Röntgenspektroskopie gleichzeitig einzusetzen. In Kombination mit den noch nie dagewesenen Eigenschaften des European XFEL und einem eigens entwickelten ‚Large Pixel Detector‘ wird das FXE-Instrument es ermöglichen, noch anspruchsvollere Studien in ähnlichen molekularen Systemen durchzuführen.“
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