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Würzburger Physiker realisieren einen Traum

30.10.1998 - (idw) Bayerische Julius-Maximilians-Universität Würzburg

Physiker der Universität Würzburg berichten in der heutigen Ausgabe (Freitag, 30. Oktober) des amerikanischen Wissenschaftsmagazins "Science" von einem Durchbruch bei der Steuerung chemischer Reaktionen durch Laserstrahlung.

Den Ablauf einer chemischen Reaktion steuern zu können, ist seit langem ein Traum in der Chemie. Könnte er verwirklicht werden, dann wäre dies gleichbedeutend mit einer Revolution in der technischen Chemie: Erwünschte Produkte könnten mit höherer Effizienz erzeugt, unerwünschte und unter Umständen sogar schädliche Nebenprodukte gleichzeitig reduziert werden.

Seit der Erfindung des Lasers vor mehr als 30 Jahren arbeiten weltweit viele Wissenschaftler daran, diese Lichtquelle zur Steuerung chemischer Reaktionen einzusetzen. In Würzburg wurde jetzt ein neuer Ansatz zur Lösung dieses fundamentalen Problems in die Tat umgesetzt, der mit gezielt manipulierten Femtosekunden-Laserpulsen arbeitet. Bei diesen Laserpulsen handelt es sich um Lichtblitze, die nur die unvorstellbar kurze Zeit von wenigen billiardstel Sekunden andauern. In eben dieser kurzen Zeitspanne bewegen sich auch die Atome bei der Dissoziation, einem grundlegenden chemischen Prozeß, bei dem ein Ausgangsstoff zu neuen Produkten zerfällt. Als Folge dieser "Zeitgleichheit" können die Lichtblitze diesen Prozeß beeinflussen.

Den Physikern um Prof. Dr. Gustav Gerber ist es mit Hilfe von maßgeschneiderten Femtosekunden-Laserpulsen erstmals gelungen, eine Dissoziationsreaktion zu optimieren. Ihr in "Science" veröffentlichtes Experiment haben sie an dem Molekül Cyclopentadienyl-Eisendicarbonyl-Chlorid durchgeführt, das zu der technologisch wichtigen Substanzklasse der Organometalle gehört. Organometalle werden bei der Produktion dünner metallischer Filme und als Photokatalysatoren bei vielen chemischen Reaktionen verwendet. Die Forscher konnten den Zerfall des Moleküls durch die speziellen Laserpulse so gezielt beeinflussen, daß die Mengenverhältnisse von erwünschten zu unerwünschten Reaktionsprodukten optimiert werden konnten.

Besonders erstaunlich an der von den Würzburger Wissenschaftlern vorgestellten Methode: Sie erlaube es, so Prof. Gerber, eine höhere Ausbeute der gewünschten Reaktionsprodukte zu erhalten, ohne daß detaillierte Kenntnisse über Moleküle und Ablauf der chemischen Reaktion notwendig sind. Die Optimierung des Reaktionsprozesses werde allein von einem selbstlernenden Computeralgorithmus gesteuert, dessen Funktionsprinzip der biologischen Evolution nachempfunden ist.

Bei solchen "evolutionären Algorithmen" werden die verwendeten Laserpulse durch eine Rückkopplung aus dem im Experiment erzielten Ergebnis Schritt für Schritt verbessert. So werden, ganz nach dem "survival of the fittest"-Prinzip von Charles Darwin, letztendlich die optimalen Femtosekunden-Laserpulse gefunden, die für eine maximale Effizienz bei der Bildung der erwünschten Reaktionsprodukte sorgen.

Da laser-induzierte Prozesse nicht nur im Bereich der Chemie optimiert werden können, ist es Prof. Gerber zufolge absehbar, daß optimal geformte Femtosekunden-Laserpulse auch in den Bereichen der Physik, Biologie und Medizin bahnbrechende Fortschritte ermöglichen werden.

Weitere Informationen: Prof. Dr. Gustav Gerber, Physikalisches Institut der Universität Würzburg, T (0931) 888-5715, Fax (0931) 888-4906, E-Mail:
gerber@physik.uni-wuerzburg.de

Titel der Publikation: "Control of Chemical Reactions by Feedback-Optimized Phase-Shaped Femtosecond Laser Pulses", Science Vol. 282, ab Seite 919.
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