Beobachten, was in der ersten Pikosekunde passiert, wenn sich ein Proton nach Lichteinwirkung von einem Farbstoff löst

In bestimmten Molekülen, den sogenannten Photosäuren, kann durch Anregung mit Licht lokal ein Proton freigesetzt werden. In der Lösung ändert sich plötzlich der pH-Wert – eine Art schneller Schalter, der für viele chemische und biologische Prozesse wichtig ist. Bisher war jedoch noch unklar, was im Moment der Protonenfreisetzung passiert. Genau das konnten Forscher des Exzellenzclusters Ruhr Explores Solvation RESOLV an der Ruhr-Universität Bochum nun in einem Experiment mit neuer Technologie beobachten.

Sie beobachteten ein Schlagen zwischen gelöstem Stoff und Lösungsmittel, das ein winziges Beben auslöste, das nur drei bis fünf Pikosekunden dauerte, bevor sich das Proton abzulösen begann. Darüber berichten sie in der Zeitschrift Chemische Wissenschaften.

Bisher lag der Fokus auf Farbstoff oder Base

Eine der am besten untersuchten sogenannten Photosäuren ist Pyranin, der fluoreszierende Farbstoff, der beispielsweise in gelben Textmarkern verwendet wird. „Trotz einer Fülle von experimentellen Studien blieb der Prozess, der ganz am Anfang der Protonenablösung steht, immer noch Gegenstand kontroverser Diskussionen“, berichtet Professorin Martina Havenith, Sprecherin von RESOLV. Der gesamte Ablösungsprozess findet jedoch auch auf einer Zeitskala von nur 90 Pikosekunden statt. Eine Pikosekunde entspricht einem Millionstel einer Millionstel Sekunde.

Während sich bisherige Studien hauptsächlich auf die Veränderung des Farbstoffs nach Lichtanregung konzentrierten, konnte das Team erstmals die Veränderung des Lösungsmittels, in diesem Fall Wasser, während dieses Prozesses beobachten. Dies gelang mit Hilfe einer neu entwickelten Technik, der „Optical Pump THz Probe Spectroscopy“.

Ultraschnelle Energieübertragung

„Wir konnten verfolgen, wie es am Anfang zu einer Schwingung kommt, die dann später wieder abklingt“, beschreibt Martina Havenith. „Es ist aufregend zu sehen, dass die Lösungsmittelreaktion, die den Protonentransfer im angeregten Zustand fördert, auf frischer Tat ertappt werden könnte.“ Die anfängliche ultraschnelle Energieübertragung innerhalb von weniger als einer Pikosekunde bewirkt eine Umstrukturierung der Wassermoleküle in unmittelbarer Nähe und öffnet den Weg für die anschließende Protonenwanderung.

Möglich wurde der Nachweis durch die neuen Laserlabore im Forschungsgebäude ZEMOS. Dort werden alle externen Störsignale, wie sie beispielsweise durch elektromagnetische Strahlung, Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen verursacht werden, minimiert. Nur dann ist es möglich, mit dem Farbstoff auch kleinste Zittern in einem Wasserstrahl zu erkennen.