Forschung
Molekulare Ionen · Reaktive Zwischenprodukte · Tiefe Temperaturen
Ich entwickle Instrumente, um molekulare Spezies zu präparieren, zu manipulieren und zu messen. Von der Ionendeposition auf Oberflächen über den Nachweis reaktiver Zwischenprodukte bis zu Reaktionen bei tiefen Temperaturen untersuche ich sowohl die physikalischen Vorgänge als auch die experimentellen Bedingungen, unter denen sie sich zuverlässig messen lassen.
Meine Arbeit verbindet die Konzeption von Instrumenten, die Entwicklung experimenteller Messverfahren und die Datenanalyse. Dabei steht die Frage im Mittelpunkt, welcher Anteil eines Messsignals auf den physikalischen Vorgang zurückgeht und welcher auf die Messapparatur.
Molekulare Ionen präparieren und deponieren
Am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung (MPI-FKF) entwickeln wir eine Plattform für Electrospray Ion Beam Deposition (ESIBD). Ziel ist es, molekulare Ionen in definierten Solvatations- oder Komplexierungszuständen zu präparieren und anschließend auf einer Oberfläche zu deponieren, um sie einzeln mittels Rastersondenmikroskopie abzubilden. Damit wollen wir untersuchen, wie Lösungsmittelmoleküle und Metallionen ihre Struktur beeinflussen.
Ich arbeite an der instrumentellen Entwicklung des Aufbaus, insbesondere an der Elektrospray-Ionenquelle, der Ionenoptik und der Anbindung der Geräte. Die Plattform wird derzeit aufgebaut; die Kontrolle des chemischen Zustands der Ionen vor der Deposition ist ein Entwicklungsziel und noch keine nachgewiesene Fähigkeit des neuen Instruments.
Funktionsprinzip und laufende Entwicklungen
Das Instrument soll in Lösung erzeugte Ionen nach Auswahl ihres Masse-zu-Ladung-Verhältnisses schonend auf einer Oberfläche im Ultrahochvakuum deponieren. Zwei Entwicklungen sollen die Kontrolle ihrer chemischen Umgebung ermöglichen: eine Quadrupolfallenkammer für Wechselwirkungen mit flüchtigen Molekülen und eine Nano-Elektrosprayquelle, die unter kontrollierten Gasphasenbedingungen arbeitet.
Diese Entwicklungen beschreibe ich in meinem Bericht zur IMSC 2026. Zum wissenschaftlichen Kontext des Projekts: Arbeitsgruppe von Kelvin Anggara.
Reaktive Zwischenprodukte messen
Während meines Postdocs an der KTH in Stockholm entwickelte ich Messverfahren für hochreaktive Spezies in geringen Konzentrationen, darunter Peroxyradikale und Criegee-Zwischenprodukte. Wie lässt sich ihre Reaktivität messen, ohne Gasphasenreaktionen mit Verlusten an den Wänden der Apparatur zu verwechseln? Diese Frage verbindet meine Arbeiten zur massenspektrometrischen Detektion, zu Strömungsreaktoren und zur Datenverarbeitung.
Ich habe zur Entwicklung und Optimierung eines Protonentransferreaktions-Flugzeitmassenspektrometers (PTR-TOF-MS) für die direkte Messung von Peroxyradikalen beigetragen. Durch die Messung von Methylperoxy- und Isopropylperoxyradikalen im Kontakt mit verschiedenen Materialien zeigten wir, dass ihre Verluste an Edelstahl und Aluminium unter den untersuchten Bedingungen die Gasphasenreaktionen dominieren konnten. Die in JACS Au veröffentlichten Ergebnisse belegen die Rolle von Redoxreaktionen an Oberflächen: Das Reaktormaterial kann die Chemie verändern, die wir messen wollen.
Reaktoren, Detektion und Datenverarbeitung
Ich entwickelte einen kontinuierlich betriebenen Rohrreaktor ohne bewegliche Teile für quantitative Messungen bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck. Eine Variante nutzt einen Pufferarm, um die Verweilzeit über den Gasdurchfluss zu verändern. Mit diesen Aufbauten lassen sich Gasphasenreaktivität und Verluste an Grenzflächen untersuchen.
In der Oberflächenstudie wurden die Massenspektren im Sekundentakt aufgenommen. Die Zuordnung der Radikalsignale wurde durch Zugabe von Stickstoffmonoxid (NO) überprüft, das die Radikale verbraucht. Die Messung der Radikale und ihrer Produkte erlaubte es, ihr Verschwinden mit Reaktionen an den Materialien zu verknüpfen.
Zur Verarbeitung der PTR-TOF-MS-Daten schrieb ich MassSpec.jl in Julia. Die Open-Source-Software verarbeitet Datensätze in der Größenordnung von 1 GB pro Versuchsstunde. Die Software-Werkzeuge sind auf der Seite Ressourcen zusammengestellt.
Außerdem beteiligte ich mich an Messkampagnen zu gasförmigen und partikelförmigen Emissionen durch Bremsenabrieb. Wir zeigten, dass durch Oxidation der gasförmigen Emissionen sekundäre Partikel entstehen können, zusätzlich zu den direkt durch Abrieb freigesetzten Partikeln (Scientific Reports, 2024). Die emittierten flüchtigen organischen Verbindungen und ihre Rolle bei der Nukleation ultrafeiner Partikel sind Gegenstand eines Artikels in ES&T Air, 2025.
Reaktionen bei tiefen Temperaturen untersuchen
Am Institut de physique de Rennes beschäftigte ich mich während meiner Promotion mit CRESUSOL, einem Instrument zur Untersuchung von Neutral-Neutral-Reaktionen und Clusterbildung unter astrochemisch relevanten Bedingungen. Es kombiniert eine durch eine Lavaldüse erzeugte gleichförmige Überschallströmung mit Photoionisation und massenspektrometrischer Detektion.
Ich arbeitete an der Entwicklung dieses Instruments und an der Berechnung der Düsenprofile, die die Strömungsbedingungen bestimmen. Mit dem Instrument konnten unter anderem die Bildung von Ameisensäuredimeren und die Bildung von Diacetylen bei Temperaturen unter 100 K beobachtet werden (Review of Scientific Instruments, 2021).
CRESUSOL und Auslegung von Lavaldüsen
CRESUSOL nutzt Vakuum-UV-Synchrotronstrahlung, um Spezies aus der Strömung zu photoionisieren. Die Photoelektronen-Photoionen-Koinzidenzdetektion in Verbindung mit der Flugzeitmessung der Ionen ermöglicht die Untersuchung von Reaktions- und Aggregationsprodukten bei tiefen Temperaturen.
Ich entwickelte ein Programm zur Berechnung von Lavaldüsenprofilen, das zusammen mit der Methode in Physics of Fluids, 2022 veröffentlicht wurde. Die Berechnung verbindet die Charakteristikenmethode mit einer Grenzschichtkorrektur, um Strömungen mit gleichförmiger Geschwindigkeit, Temperatur und Dichte zu erzeugen. Das Programm ist öffentlich zugänglich.
Chemischen Abbau von einem Dichteabfall unterscheiden
Aufbauend auf diesen Arbeiten unterziehe ich kinetische Messungen in gleichförmigen Überschallströmungen (CRESU) einer kritischen Neubewertung. Ein abnehmendes Reaktantensignal belegt für sich genommen keinen chemischen Verbrauch: Ein durch Gasmischung verursachter Dichteabfall kann einen Signalabfall erzeugen, der fälschlich einer Reaktion zugeschrieben wird. Meine Reanalyse von CRESU-SIS-Daten zeigt dieses Problem auf und stellt die daraus abgeleiteten Geschwindigkeitskoeffizienten infrage (Kommentar, 2023).
Beobachtungen, Interpretation und Tragweite
In den analysierten CRESU-SIS-Daten nimmt das anfängliche Ionensignal mit steigender Konzentration des neutralen Reaktanten ab, obwohl es nach der verwendeten kinetischen Interpretation konstant bleiben müsste. Ein Abfall der Strömungsdichte bietet eine alternative Erklärung für diese Beobachtung und die gemessenen Signalabfälle.
Diese Kritik reicht über CRESU-SIS hinaus: Der Strömungszustand während der Mischung muss überprüft werden, bevor Signalabfälle der Chemie zugeschrieben werden. Das bedeutet nicht, alle veröffentlichten Geschwindigkeitskoeffizienten mit einer einzigen Korrektur neu zu berechnen; vielmehr müssen die Bedingungen und Signale jedes Experiments untersucht werden. Diese Neubewertung habe ich in meinem Vortrag auf der CPLT 2026 weiter ausgeführt.