Arbeitsgruppe Elektronenspektroskopie

Blitzschneller Energietransfer (ICD) zwischen Wasser-Molekülen

Chemische Reaktionen werden getrieben und gesteuert von Energie. Diese Energie liegt häufig als elektronische Anregung vor. Auf welchen Wegen elektronisch angeregte Zustände relaxieren, ist daher eine fundamentale Frage der Molekülphysik und der physikalischen Chemie. Die AG Elektronenspektroskopie ist führend bei der Erforschung eines qualitativ neuartigen elektronischen Relaxationskanals nach Anregung mit z. B. Vakuum-UV oder Röntgen-Strahlung. Dieser Prozess ist in den letzten Jahren unter dem Namen Intermolekularer oder Interatomarer Coulomb-Zerfall (Intermolecular Coulombic Decay, ICD) bekannt geworden. Es handelt sich um einen elektronischen Zerfallsprozess in schwach gebundenen Systemen, zum Beispiel in vielen Flüssigkeiten. Durch ICD wird elektronische Anregungsenergie in kinetische Energie eines Elektrons und zweier Ionen umgewandelt. Die bisherigen Experimente wurden an Clustern mit van-der-Waals oder Wasserstoffbrücken-Bindung durchgeführt.

Voraussetzung für ICD ist die Erzeugung eines Lochs in der Elektronenhülle. Dessen Energie muss oberhalb der Doppelionisationsschwelle des angeregten Systems liegen. Ein Beispiel ist die Anregung oder Ionisation eines Innervalenzelektrons in Wasser. Obwohl solche Prozesse seit langem untersucht werden können, wurde erst 1997 vorhergesagt, dass an der Relaxation einer solchen Vakanz benachbarte Moleküle beteiligt sein können.

Im IC Zerfall wird der primäre Lochzustand aus einem schwächer gebundenen Orbital des angeregten Systems aufgefüllt. Gleichzeitig wird die dabei frei werdende Energie zu einem benachbarten Molekül transferiert und ionisiert dieses. Ein weiteres, langsames Elektron wird frei. Ein solcher Prozess heißt Autoionisation. Der Unterschied zu etablierten Autoionsationsprozessen, zum Beispiel Auger-Zerfall besteht darin, dass gleichzeitig zwei benachbarte Atome oder Moleküle an dem Zerfall teilnehmen.

Die Arbeitsgruppe Elektronenspektroskopie hat diesen Prozess jetzt in Wasser-Clustern nachgewiesen. Dies kam nicht ganz unerwartet, hatten doch Theoretiker der Universität Heidelberg um Lorenz Cederbaum ICD in Wasser schon vor mehr als zehn Jahren vorhergesagt. Um den Nachweis zu führen war jedoch eine ausgefeilte Experimentiertechnik erforderlich, bei der beide erzeugten Elektronen koinzident nachgewiesen wurden.

Blitzschneller Energietransport zwischen Wassermolekülen

Das IPP Experiment zum Intermolekularen Coulomb-Zerfall ist wichtig, weil die dabei entstehenden langsamen Elektronen Folgen für biologisch relevante Moleküle haben können: Die Anlagerung solcher Elektronen kann selbst bei sehr niedrigen Energien zum Aufbrechen molekularer Bindungen führen. Noch weiß man sehr wenig darüber, wie diese und andere Prozesse auf molekularer Ebene die Entstehung von Strahlenschäden bewirken, aber es ist klar, dass es hier ein wichtiges Forschungsfeld gibt.

Die vollen Ergebnisse wurden in Nature Physics veröffentlicht:
A hitherto unrecognized source of low energy electrons in water