Photochemische Reaktionen in der flüssigen Phase laufen oft über mehrere Zwischenprodukte ab, die in vielen Fällen sehr kurzlebig sind und deren einzelne Reaktionsschritte einfach unbekannt sind. Unser Forschungsinteresse gilt solchen schnellen lichtinduzierten Prozessen, z. B. Umlagerungs- oder Photolyse-Reaktionen, die wir mit zeitaufgelöster Spektroskopie untersuchen. Wir verwenden eine Vielzahl von ultraschnellen Spektroskopietechniken, um die Photodynamik und die zugrunde liegenden Reaktionsmechanismen aufzuklären. So lassen sich beispielsweise die Zwischenprodukte und Endprodukte mit ultrakurzen Laserimpulsen im mittleren Infrarotbereich anhand charakteristischer Schwingungssignaturen identifizieren. Mit unseren Versuchsaufbauten können wir die lichtinduzierte Reaktion in Echtzeit verfolgen.
Die folgende Animation veranschaulicht ein „Pump-Probe-Experiment”: Ein Laserimpuls, typischerweise mit einer Impulsdauer im Femtosekundenbereich, löst die Photoreaktion aus. Während die Reaktion abläuft, entstehen kurzlebige Zwischenprodukte, die mit einem zweiten Laserimpuls, der die Absorption des Zwischenprodukts misst, nachgewiesen werden können. Da die Zeitverzögerung zwischen den beiden Laserimpulsen variiert werden kann, lässt sich direkt beobachten, nach welcher Zeit ein Zwischenprodukt entsteht und wann es weiter reagiert.
Darüber hinaus untersuchen wir, ob man den Verlauf und die Produktverteilung einer Reaktion auf genau definierte Weise beeinflussen kann, z. B. durch Variation des in den Experimenten verwendeten Lichts. Zu diesem Zweck weisen ultrakurze Laserpulse bemerkenswerte Eigenschaften auf, z. B. sehr hohe Spitzenintensitäten, die die Möglichkeit eröffnen, mehrmals mit einem Molekül zu interagieren. Darüber hinaus sind die Laserpulse nicht monochromatisch, sondern bestehen aus einer Vielzahl verschiedener Farben, die mittels eines Pulsformers gegeneinander verzögert werden können. Mit Hilfe solcher geformter Laserpulse untersuchen wir, ob die Reaktion in eine gewünschte Richtung gelenkt werden kann, eine experimentelle Methodik, die oft als „Quantensteuerungsansatz” bezeichnet wird.
Die photochemischen Prozesse, die wir derzeit untersuchen, umfassen Reaktionssequenzen reaktiver Spezies wie Radikale, molekulare Umschaltung, Ladungs- und Energieübertragungsprozesse, photoinduzierte Strukturänderungen und Umlagerungen, Photolyse und Photolumineszenz nach einem ultraschnellen Intersystem-Crossing. In all diesen Fällen wird besonderer Wert auf die Rolle der Lösungsmittelumgebung und den Einfluss von Co-Lösungsmitteln gelegt, auch im Hinblick auf die bimolekulare Reaktionsdynamik, die für die Photokatalyse relevant ist.
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