Playing squash with molecules - energy transfer of polyatomic molecules at the gas surface interface

• Applicant: Privatdozent Dr. Tim Schäfer
• Subject Area: Physical Chemistry of Solids and Surfaces, Material Characterisation ; Physical Chemistry of Molecules, Liquids and Interfaces, Biophysical Chemistry
• Term: from 2016 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 311018441

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projekts wurde die Wechselwirkung zwischen polyatomaren Molekülen und Metalloberflächen untersucht. Hierzu wurden Experimente durchgeführt, für die Molekülstrahlen auf Metalloberflächen gestreut und gestreute Moleküle mit Hilfe von Laserspektroskopie detektiert wurden. Durch die Spektroskopie können Quantenzustände der Moleküle aufgelöst, und der Energietransfer zwischen verschiedenen molekularen Freiheitsgraden bestimmt werden. Zunächst wurde eine neue Apparatur für die Experimente geplant und gefertigt. Die Apparatur kann Molekülstrahlen von polyatomaren Molekülen erzeugen und verwendet „Ion Imaging“ Techniken um gestreute Moleküle zu detektieren. Zur Herstellung wurden neue Methoden angewendet und die Vakuumkammer aus einem massiven Edelstahlblock gefräst, anstatt sie aus mehreren verschweißten Metallplatten zu fertigen. Dies bietet große Vorteile für spätere Experimente: Abstände und Winkel sind sehr exakt gefertigt, die Kammer ist sehr kompakt und die Anzahl an virtuellen Lecks ist signifikant gesenkt. Durch die Entscheidung, einen neuen Weg in der Fertigung der Vakuumkammer zu gehen, verzögerten sich erste Experimente an der neuen Apparatur signifikant. Dennoch überwiegen langfristig die Vorteile, die sich durch das neue Kammerdesign ergeben. Erste Experimente wurden daher an einer anderen Apparatur durchgeführt, die kurzfristig für einen begrenzten Zeitraum am Institut für Physikalische Chemie in Göttingen zur Verfügung stand. In diesen Experimenten wurde der Energietransfer von Formaldehyd auf einer inerten Au(111) Oberfläche untersucht. Polyatomare Moleküle wie Formaldehyd haben deutlich mehr interne Freiheitsgrade als diatomare Moleküle. Zentrale Fragestellung war daher, in wieweit diese Freiheitsgrade zu einer erhöhten Adsorptionswahrscheinlichkeit auf Oberflächen führt. Als Detektionsmethode wurde ein neu entwickeltes 1+1` REMPI Schema verwendet, mit Hilfe dessen Quantenzustände von gestreutem Formaldehyd gut aufgelöst werden können. In den Experimenten zeigte sich, dass Rotationsfreiheitsgrade von Formaldehyd in direkten Stößen mit der Oberfläche deutlich stärker angeregt werden, als dies bei diatomaren Molekülen beobachtet wird. Insbesondere die Rotation um die CO Bindung wird stark angeregt. In molekulardynamischen Rechnungen konnte gezeigt werden, dass dies hauptsächlich sterische Gründe hat, da Rotationen um die CO Bindung über einen weiten Bereich von Einfallsorientierungen des Formaldehyd Moleküls angeregt werden. Dieses Verhalten beobachtet man bei diatomaren Molekülen nicht. Eine höhere Adsorptionswahrscheinlichkeit für polyatomare Moleküle im Vergleich zu diatomaren Molekülen kommt daher u.a. durch eine verstärkte (gehinderte) Rotationsanregung zustande. Die Energie, die in diese Freiheitsgrade fließt, steht nicht mehr für den Desorptionskanal zur Verfügung. In der zweiten Phase des Projekts wurde die neue Apparatur in Betrieb genommen und die Adsorption des Epoxids Styroloxid auf Silberoberflächen mit Molekülstrahlenexperimenten, Laserspektroskopie und TPD untersucht. Das Epoxid öffnet sich auf der Silberoberfläche und reagiert teilweise weiter zu Phenylacetaldehyd. Dies ist ein Reaktionskanal, der in der Literatur bisher nicht beobachtet wurde. Die Ergebnisse des Projekts haben wichtige Erkenntnisse über die Wechselwirkungen von polyatomaren Molekülen auf Metalloberflächen geliefert. Aufbauend auf den erreichten Ergebnissen werden zukünftige Projekte den Einfluss von Schwingungsfreiheitgraden polyatomarer Moleküle auf den Energietransfer an Oberflächen zum Thema haben. Weiterhin können Epoxidierungsreaktionen auf Silber mit der neuen Apparatur auf ihre Enantioselektivität untersucht werden.

Publications

• Physical Chemistry Chemical Physics, 2017, 19, 19896-19903
  B. C. Krüger, G. B. Park, S. Meyer, R. J. V. Wagner, A. M. Wodtke and T. Schäfer
  
• Physical Chemistry Chemical Physics, 2017, 19, 19904-19915
  G. B. Park, B. C. Krüger, S. Meyer, A. Kandratsenka, A. M. Wodtke and T. Schäfer
  
• Journal of Molecular Spectroscopy, 2019, 362, 61-68
  B. C. Krüger, T. Schäfer, A. M. Wodtke and G. B. Park
  
• The Journal of Physical Chemistry C, 2020, 124, 799-804
  G. Westphal, M. Wallrabe and T. Schäfer