Wasserdynamik an Grenzflächen zwischen Luft und ionischen Lösungen: Synergie zwischen SFG-Experimenten und DFTMD-Simulationen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Ellen Backus
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 258576000

Es ist bekannt, dass physikalische und chemische Prozesse, die an wässrigen Grenzflächen auftreten, in einer Reihe von Bereichen -von der Chemie atmosphärischer Aerosole und heterogener Katalyse bis zur Biophysik und Biochemie- eine wichtige Rolle spielen. In der geplanten Studie sollen Erkenntnisse auf molekularer Ebene zur die Struktur und die Dynamik von Wasser speziell an Grenzflaechen zwischen Luft und ionischen Loesungen aussehengewonnen werden. Derartige Informationen sind sehr relevant in der Atmosphaerenchemie, in welcher beispielsweise auf der Oberflaeche der Aerosole heterogene Ozonreaktionen stattfinden. Trotz der offensichtlichen Bedeutung ist ueberraschend wenig bekannt ueber die Dynamik dieser Grenzflaechen. Um die Reaktivitaet solcher Grenzflaechen im Detail zu verstehen, ist sowohl das Verstaendnis der Struktur- als auch der Dynamik des Energieflusses unumgaenglich. In dieser Studie moechten wir Informationen ueber diese wichtige Grenzflaeche mit einer einzigartigen Kombination aus Experiment und Theorie gewinnen. Fragen, die beantwortet werden sollen, umfassen: Wie beeinflusst die Anwesenheit eines Ions die strukturelle Relaxationsdynamik an einer Grenzflaeche? Induzieren Ionen durch deren Wechselwirkung mit Wasser Heterogenitaet im Wasser an der Grenzflaeche? Wie schnell wird Energie an der Grenzflaeche transportiert? Wir werden uns dabei auf waessrige Loesungen mit Halogenidsalzen und Saeuren konzentrieren. Das deutsche Team wird die Grenzflaeche mit der oberflaechenempfindlichen Summenfrequenzspektroskopie untersuchen. Diese Methode untersucht ausschliesslich die ersten Monolagen an der Grenzflaeche. In den letzten Jahren wurde die Methode so erweitert, dass jetzt auch zeitaufgeloeste und zweidimensionale Summenfrequenzspektren gemessen werden koennen. Diese neue Methode ermoeglicht die Messung der Dynamik mit einer Zeitaufloesung von Sub-Pikosekunden. Obwohl dieser experimentelle Ansatz sehr leistungsfaehig ist, benoetigen diese Experimente Unterstuetzung durch theoretische Simulationen, um ein detailliertes Verstaendnis der Physik und Chemie an der Grenzflaeche zu erhalten. Deshalb wird dieser experimentelle Ansatz mit Berechnungen des franzoesischen Teams kombiniert. First principles Molekulardynamik (MD) Simulationen werden benutzt um Trajektorien zu berechnen, die die Struktur, die Dynamik, die Schwingungsenergierelaxation und die chemische Reaktivitaet an der Grenzflaeche ergeben. Der wichtige Beitrag des franzoesischen Teams ist die Berechnung von Summenfrequenzspektren mit first principle MD. Diese Spektren koennen direkt mit den experimentellen Spektren des deutschen Teams verglichen werden. Das Ziel dieses kombinierten theoretischen und experimentellen Ansatzes mit modernsten Techniken in beiden Fachbereichen ist es, die Struktur und die Dynamik waessriger Loesungen umfassend zu verstehen. Die Ergebnisse sind unerlaesslich fuer das Verstaendnis von Reaktionen an Aerosolen, die für heterogene Chemie relevant sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Beteiligte Person: Professorin Dr. Marie-Pierre Gaigeot