Untersuchung des Kondensations- und Gefrierverhaltens von freien unterkühlten molekularen Gasen und Partikeln im Nano- bis Millimeter-Größenbereich

• Antragsteller: Professor Dr. Sigurd Bauerecker
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 189900837

Im Projekt sollen unterkuehlte Molekuele sowie Nano-, Mikro-, und Millimeter- Troepfchen in ihrem Kondensations-, Aggregations- und Gefrierverhalten in gasfoermiger Umgebung untersucht werden. Zum Einsatz kommen optische Analyseverfahren, wie die hochaufloesende Infrarotspektroskopie, Raman-Spektroskopie, Terahertz-Spektroskopie, u.a. mit Synchrotron-Lichtquellen, und das Hochgeschwindigkeitsfilmen im Sichtbaren und Infraroten. Computersimulationen, die ueberwiegend von externen Kooperationspartnern durchgefuehrt werden, unterstuetzen das Projekt von der theoretischen Seite. In der eigenen Gruppe werden Finite-Elemente-Verfahren zur Untersuchung der Waerme-Produktion und -Verteilung so wie die Diskrete-Dipol-Approximation zur Partikel-Charakterisierung eingesetzt. Als wichtiger experimenteller Schwerpunkt soll ein neues, wesentlich verbessertes Kollisionskuehlsystem zur Kuehlung, Unterkuehlung und Spektroskopie von Gasmolekuelen, Nano- und Mikroaerosolen im Temperaturbereich 4 bis 400 K erstellt werden, in das die Erfahrungen der letzten 15 Jahre mit dem alten erfolgreichen System als auch andere technische Fortschritte einfliessen werden. Dabei sollen wesentlich leistungsstaerkere Messgas-Einlasssysteme als Schluesseltechnik zur Unterkuehlung von Messgasen (weiter) entwickelt werden. Bei der hochaufloesenden Spektroskopie an unterkuehlten Gasen wird auf ein besseres Verstaendnis der intramolekularen Dynamik ueber globale Potential-Hyperflaechen mit Bereitstellung der Messdaten fuer Datenbanken wie HITRAN und GEISA gezielt, wobei auch Anwendungsaspekte verfolgt werden. Im Aerosolbereich stehen u.a. Wasser und andere Substanzen im Fokus, die in der physikalischen Chemie der Atmosphaeren der Erde so wie anderer Planeten und ihrer Monde als auch interstellarer Gase von Bedeutung sind. Hier soll insbesondere das Gefrierverhalten der Mikrotroepfchen als Ensemble in der Aerosolwolke aufgeklaert werden (Dynamik, Groessen-, Gestalt- Phasen- und Struktur-Evolution, Waermeproduktion und -transport, optische Konstanten, u.s.w.), nicht zu Letzt auch zur Interpretation von Raman-Lidar-Daten. Bei den frei schwebenden Millimetertroepfchen aus reinem Wasser und wassrigen Loesungen soll die erste, sehr schnelle, im Millisekundenbereich ablaufende Gefrierstufe und das entstehende dendritische Netzwerkeis untersucht und charakterisiert werden. Der hierbei in der ersten Projektphase beobachtete elektrische Effekt mit Gefrierpotentialen von bis zu 6 V soll entschluesselt werden. Der Einfluss der asymmetrischen Netzwerkstruktur des dendritischen Eises der ersten Gefrierstufe auf die Ionenverteilung, auf eine moegliche Ladungstrennung (Dipolbildung) soll aufgeklärt werden, insbesondere auch die Auswirkungen auf die Partikel-Chemie und die Elektrizitaetsbildung in Gewitterwolken. Weiterhin soll die Analogie der regulaeren dendritischen Eisbildung zum Schneeflockenwachstum verfolgt werden, so wie der Uebergang zu kleineren Partikeln im Mikrometer-Bereich.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation, Schweiz
• Kooperationspartner: Professor Dr. Martin Quack; Professor Oleg Ulenikov