Enantiosensitive Photoelektronenspektroskopie chiraler wässriger Lösungen

• Antragsteller: Dr. Dominik Stemer
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563787225

Alles Leben hängt vom Wasser ab: Biochemische Prozesse finden fast ausschließlich innerhalb von wässrigen Lösungen oder an Flüssiggrenzflächen statt. Neben der Rolle als universelles Medium für wichtige biochemische Reaktionen spielt Wasser eine entscheidende Rolle bei der Funktionalität von Biomolekülen wie Aminosäuren, Proteinen und DNA als Stabilisator der Struktur und Vermittler von inner- und intermolekularen Wechselwirkungen. Diese Bausteine des Lebens sind überwiegend chiral, haben also eine bestimmte Händigkeit, und sind nicht mit ihrem Spiegelbild überlagerbar. Obwohl die spiegelbildlichen Enantiomere (die Formen eines chiralen Moleküls) grundsätzlich chemisch und physikalisch ununterscheidbar sind, interagieren verschiedene Enantiomere unterschiedlich mit anderen chiralen Einheiten. Dadurch kann sich deren Wirksamkeit unter biologischen (chiralen) Bedingungen drastisch unterscheiden. Grundsätzlich können intermolekulare Wechselwirkungen zwischen chiralen Substanzen und Wassermolekülen auch eine Chiralität in der Hydratationsschale des Wassers induzieren, was große Auswirkungen auf die Enantiomer-spezifische Chemie hätte. Ein klareres Verständnis der molekularen Chiralität in wässriger Lösung ist daher von wichtiger Bedeutung für die Chemie und Biologie. In diesem Projekt plane ich eine leistungsstarke, neuartige Methode einzuführen um die Chiralität von Aminosäuren in wässriger Lösung zu erforschen: Die enantiosensitive Flüssigstrahl-Photoelektronenspektroskopie (LJ-PES). Traditionelle LJ-PES ermöglicht eine direkte Messung besetzter elektronischer Zustände von Molekülen in Lösungen mit hohen Dampfdrücken. Hierbei hat die PES eine Sensitivität auf chemische Zustände und die Position der Atome innerhalb des Moleküls. Ich werde diese Technik um zwei Phänomene erweitern, welche den direkten Zusammenhang zwischen Photoelektronen und molekularer Chiralität aufzeigen: Photoelektronen-Zirkulardichroismus (PECD) und chiralitäts-induzierte Spinselektivität (CISS). Ersteres resultiert in einer Asymmetrie in der Winkelverteilung und Zweiteres in einer Spin-Polarisation von Photoelektronen. Beide Effekte treten bei der Photoionisation chiraler Systeme unter bestimmten Bedingungen auf. Die (für PECD erforderliche) winkelaufgelöste PES wird bisher nur selten zur Untersuchung von Flüssigkeiten genutzt, und die Anwendung auf chirale Moleküle in Lösung wäre wegbereitend in der Molekularphysik. Spin-aufgelöste PES (die beste Methode für CISS) wurde noch nie auf Flüssigkeiten angewandt. Der Bau von modernen LJ-PES Instrumenten am Fritz-Haber-Institut Berlin, zusammen mit dem Helmholtz Zentrum Berlin, hat diese Technologie jedoch in greifbare Nähe gerückt. Mein Ziel ist die Entwicklung und Anwendung enantiosensitiver LJ-PES, um fundamentale sowie technologisch wichtige Prozesse in wässriger Phase zu studieren, wie z.B. die induzierte Chiralität in Solvatationsschalen, oder die Enantioselektive Photolyse und Reaktionskinetik und chirale Erkennung.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen