Das kontrollierte Molekül

Lasermethode soll zu besseren Nanostrukturen, organischen Solarzellen und lichtaktiven Proteinen führen

Fluoreszenz eines einzigen Moleküls
Fluoreszenz eines einzigen Moleküls

Mainz/Buenos Aires (Argentinien)/Barcelona (Spanien) - Das Geheimnis für bessere Solarzellen oder effizientere Chemieprozesse findet sich häufig auf der Ebene einzelner Atome und Moleküle. Um auf diesem Gebiet gezielter forschen zu können, entwickelte eine Gruppe aus spanischen, argentinischen und deutschen Wissenschaftlern eine spezielle Falle für einzelne Moleküle. Wie sie in der Fachzeitschrift "Nature" berichten, konnten sie mit extrem kurzen Laserpulsen die Quantenzustände und das Floureszenzverhalten eines einzigen Moleküls genau kontrollieren.

"Die kohärente Dynamik von jedem Molekül kann bei Normalbedingungen aufgezeichnet werden", erklären Daan Brinks vom Institut de Ciencies Fotoniques in Barcelona und seine Kollegen von der Universidad de Buenos Aires und dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz. Dazu kombinierten sie zwei etablierte Methoden der Molekülforschung: die Spektroskopie mit extrem kurzen Laserpulsen und die Mikroskopie für einzelne Moleküle.

Zuerst lagerten sie ihr Testobjekt – ein komplexes Makromolekül einer Kohlenstoff-Stickstoff-Verbindung – in einen dünnen Kunststofffilm ein. So fixiert ließen sich einzelne Moleküle mit einem Fluoreszenz-Mikroskop beobachten. Darauf regten sie die Quantenzustände dieses Moleküls mit exakt fokussierten Laserblitzen von nur wenigen Femtosekunden Länge, das entspricht einem Millionstel einer Milliardstel Sekunde, an. Sowohl die zeitliche Abfolge der Laserpulse als auch deren Form konnten die Forscher variieren. Damit gelang ihnen, das Molekül genau zu kontrollieren und zu manipulieren. Sichtbar machten sie diesen Prozess über hochaufgelöste Aufnahmen des Fluoreszenzverhaltens des Moleküls.

Spektroskopie mit extrem kurzen Laserpulsen erlaubt schon seit einigen Jahren die Analyse sehr schneller chemische Reaktionen auf molekularer Ebene. Doch dieses Experiment offenbart die Möglichkeit, die Anregungen eines einzelnen Moleküls komplett zu kontrollieren. Für die Verbesserung chemischer Reaktionen mit höherer Ausbeute, für die Entwicklung von organischen Solarzellen oder der künstlichen Photosynthese könnte diese Methode wichtige und neue Hinweise liefern.