Våra liv styrs av submikroskopiska processer i nanokosmos. Faktum är att många naturfenomen börjar med en liten förändring av atomer eller molekyler, utlöses av strålning. En sådan process har nu belysts av ett team som leds av prof. Matthias Kling och dr. Boris Bergues vid Laboratory for Attosecond Physics (LAP), som drivs gemensamt av Ludwig-Maximilians Universität (LMU) och Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ). Gruppen studerade hur molekyler som var fästa på ytan av nanopartiklar reagerade på bestrålning med ljus. Ljusinducerade molekylära processer på nanopartiklar spelar en viktig roll i atmosfärskemi, och kan i slutändan påverka vårt klimat.

Nanokosmos är hela tiden i rörelse. Alla naturliga processer bestäms slutligen av samspelet mellan strålning och materia. Ljus träffar partiklar och framkallar reaktioner. Genom att ändra elektronernas energistatus, den blandar om atomer och gör att molekyler omkonfigureras. Dessa processer accelereras avsevärt när reaktanterna absorberas på ytan av nanopartiklar i atmosfären. Detta fenomen är avgörande för atmosfärens fotokemi och påverkar därmed vår hälsa och klimat. En av de ljusdrivna molekylära processerna som äger rum på aerosoler har nu undersökts i detalj av forskare under ledning av prof. Matthias Kling och dr. Boris Bergues vid Laboratory for Attosecond Physics, som drivs gemensamt av LMU och MPQ. Gruppen har utvecklat en ny metod, kallas reaktionsnanoskopi, vilket gör det möjligt att studera elementära fysikalisk -kemiska övergångar på fasta gränssnitt. De har nu använt den för att karakterisera reaktionen mellan etanol och vattenmolekyler på ytan av glasnanopartiklar under påverkan av laserljus med hög intensitet.

Forskarna bestrålade de sfäriska partiklarna med ultrakorte laserpulser, var och en varar i några femtosekunder. En femtosekund är en miljonedel av en miljarddels sekund (10 till 15 sekunder). Med hjälp av reaktionsnanoskopi, de kunde spela in denna ultrakorte interaktion i tre dimensioner med nanometerupplösning. "Vi har observerat lossning och acceleration av vätejoner från molekyler på ytan av nanopartiklar. Möjligheten att göra det utgör grunden för den höga rumsliga upplösningen av vår bildteknik, "förklarar Boris Bergues." Eftersom tekniken gör att vi kan bestämma den exakta positionen på nanopartikeln med det högsta reaktionsutbytet, vi kan spåra reaktioner av molekyler adsorberade på ytan av aerosoler med hög rumslig upplösning ", tillägger Matthias Kling.

Sådana processer är allestädes närvarande, särskilt inom områdena atmosfärisk fysik och astrokemi. Till exempel, ljus i vår atmosfär interagerar med aerosoler och deras bifogade molekyler, utlösa efterföljande reaktioner som kan vara viktiga för utvecklingen av vårt klimat. I universum, liknande kemiska processer sker på de minsta dammkornen under extrema förhållanden. Här, molekyler bildas och genomgår reaktioner - en process som också kan bidra till syntesen av biomolekyler.

På kort sikt, resultaten som erhållits med det nya analytiska förfarandet av laserfysikerna i München kan ge användbara insikter, särskilt inom atmosfärisk kemi. Så småningom, de kan leda till en bättre förståelse av reaktioner på aerosoler, och kan till och med peka på sätt att sänka takten eller mildra effekterna av klimatförändringar.