Tieftemperaturreaktionen von C- und Si-Atomen in superfluiden flüssigen Helium-Nanotropfen

• Antragsteller: Dr. Sergiy Krasnokutskiy
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316660419

Kohlenstoff und Silizium sind die wichtigsten Bestandteile des refraktären Staubs in astrophysikalischen Umgebungen. Es gibt starke Hinweise darauf, dass die Staubbildung direkt in den kalten Bereichen des interstellaren Mediums (ISM) erfolgt. Das vorliegende Projekt befasst sich mit der Untersuchung chemischer Reaktionen von C- und Si-Atomen, die für die Bildung des refraktären Staubs im ISM verantwortlich sein können. Die Reaktionen werden bei extrem tiefen Temperaturen (T = 0.37 K) in supraflüssigen Helium-Nanotröpfchen studiert. Diese Reaktionen, die keine Energiebarriere haben, sollten bei den niedrigen Temperaturen des ISM schnell ablaufen. Zu Beginn des Projekts werden wir die Genauigkeit der Kalorimetriemethode verbessern, um die Reaktionsenergien exakt zu bestimmen. In den weiteren Phasen des Projekts wird die entwickelte Technik mit Unterstützung durch quantenchemische Rechnungen zur Bestimmung der aktiven Reaktionskanäle eingesetzt. Gegenstand der Untersuchungen sind Reaktionen von C- und Si-Atomen mit Molekülen, die die Oberfläche astrophysikalischer Staubpartikel simulieren. Diamantoide Moleküle simulieren hydrierte Diamantoberflächen, während große polyzyklische Aromate (PAH-Moleküle) als Analoga von Graphitoberflächen betrachtet werden können und kleine Silikat-Cluster die Oberflächen von Silikatkörnern repräsentieren. Durch den experimentellen Nachweis starker chemischer Bindungen wird gezeigt, dass zwischen den betreffenden Atom und den Oberflächen eine große Reaktivität herrscht. Neben der Untersuchung der Reaktivität der verschiedenen Moleküle und Cluster, soll auch die Kondensation von Kohlenstoffatomen bei tiefen Temperaturen in den Heliumtröpfchen näher untersucht werden. Dabei werden große Heliumtröpfchen, die Millionen oder sogar Milliarden von He-Atomen enthalten, eingesetzt, einzelne Kohlenstoffatome aus der Gasphase aufzufangen und zu kondensieren. Die gebildeten Kohlenstoff-Nanopartikel und möglicherweise auch Nanodrähte werden auf geeigneten Substraten abgeschieden und durch hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM), UV / VIS- und IR-Absorptionsspektroskopie, Raman-Spektroskopie und Rasterkraftmikroskopie (AFM) untersucht. Diese Studien werden die Frage über die bevorzugte allotropische Form des durch Tieftemperaturkondensation von Kohlenstoffatomen hergestellten kohlenstoffhaltigen Materials beantworten. Die spektralen Eigenschaften der hergestellten Kohlenstoff-Nanopartikel werden charakterisiert und mit astrophysikalischen Beobachtungen verglichen. Über die eigentlichen astrophysikalischen Fragestellungen hinaus könnten die Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanodrähten, die voraussichtlich in den großen Heliumtröpfchen gebildet werden, für Anwendungen in der Nanoelektronik von besonderem Interesse sein.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen