Statische und dynamische Suszeptibilitäten von isolierten Molekülen und Clustern

• Applicant: Professor Dr. Rolf Schäfer
• Subject Area: Physical Chemistry of Molecules, Liquids and Interfaces, Biophysical Chemistry
• Term: from 2006 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 21991440

• Final Report Year: 2014

Final Report Abstract

Elektrische Polarisierbarkeiten und Dipolmomente sind empfindliche Sonden für die elektronische und geometrische Struktur von isolierten Molekülen und Clustern. Im Förderzeitraum wurden die Experimente zur Bestimmung von elektrischen Suszeptibilitäten soweit verbessert, dass damit Isomere von isolierten Clustern der schwereren Tetrele unterschieden werden konnten. Dabei wurden reine SiN-, GeN-, SnN- und PbN-Cluster (N=Anzahl der Atome im Cluster), sowie gemischte Zinn-Blei-Bimetallcluster, als auch mit elektropositiven Metallen dotierte Zintl-artige Clustersysteme genauer untersucht. Die experimentellen Studien erfolgten in enger Abstimmung mit den theoretisch arbeitenden Gruppen von Prof. Schwerdtfeger (Massey University) und Prof. Johnston (University Birmingham). Mit Hilfe eines auf (dotierte) Metallcluster adapatierten genetischen Algorithmus konnten die Isomere kleinster Energie herausgefunden werden. Quantenchemische Rechnungen an diesen Isomeren lieferten dann Werte für die Polarisierbarkeit und das permanent Dipolmoment, die direkt mit den Experimenten verglichen werden konnten. Dies wurde möglich durch die Entwicklung von neuen Methoden zur Berechnung des Stark-Effekts. Der Vergleich zwischen Theorie und Experiment erlaubte dann, die geometrischen Strukturen der untersuchten Cluster aufzuklären und die dielektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit von Clustergröße und chemischer Zusammensetzung detailliert zu studieren. Die elektrischen Suszeptibilitätsmessungen sind letztlich ein neuer Zugangsweg für die Untersuchung und Charakterisierung kleiner anorganischer Cluster, wobei die Experimente in Zukunft auch auf biologisch relevante Moleküle in der Gasphase ausgedehnt werden können. Die Methodik zur Untersuchung der dielektrischen Eigenschaften von Clustern ist von uns in einem Buch dargestellt worden, das beim Springer-Verlag erschienen ist.

Publications

• Breakdown of the pseudopotential approximation for magnetizabilities and electric multipole moments: Test calculations for Au, AuF, and SnN cluster (N≤20), J. Chem. Phys. 134, 204102 (2011)
  P. Schwerdtfeger, B. Assadollahzadeh, U. Rohrmann, R. Schäfer, J. R. Cheeseman
  
• On the rotational temperature and structure dependence of electric field deflection experiments: A case study of germanium clusters, J. Chem. Phys. 135, 034303 (2011)
  S. Heiles, S. Schäfer, R. Schäfer
  
• Polarizabilities of SiN (N=8–75) clusters from molecular beam electric deflection experiments, Eur. Phys. J. D 66, 293 (2012)
  D. A. Götz, S. Heiles, R. Schäfer
  
• Thermally induced polarizabilities and dipole moments of small tin clusters, J. Chem. Phys. 136, 134320 (2012)
  S. M. Kast, S. Schäfer, R. Schäfer
  
• Dielectric Properties of Isolated Clusters: Beam Deflection Studies, Dordrecht: Springer, 2014. ISBN: 978-94-007-7866-5
  S. Heiles, R. Schäfer