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Prof. Dr. Tobias Brixner

Dynamik chiraler Moleküle

Abbildung 1: D- und L-Milchsäure als Beispiel für ein chirales Molekül. Analog dazu können unsere Hände als Enantiomere betrachtet werden, die sich wie Bild und Spiegelbild verhalten.

Chiralität ist ein fundamentales Konzept, das sich durch die gesamte Naturwissenschaft zieht. Im Bereich der Moleküle ist z.B. die Existenz bestimmter Enantiomere (chirale Moleküle, die nur durch Spiegelung ineinander überführt werden können, siehe Abb. 1) bevorzugt. Um die ultraschnellen Dynamiken von Zuständen und Änderungen chiraler Strukturen beobachten zu können, müssen Methoden angewendet werden, welche auf die entsprechende Chiralität des Moleküls sensitiv reagieren. Mittels der Messung des Zirkulardichroismus, welcher als Unterschied der Absorption von links- und rechts-zirkular polarisiertem Licht definiert ist, wird diese Information zugänglich.

Um eine Zeitauflösung auf der relevanten Femtosekunden-Zeitskala zu erreichen, werden ultrakurze Laserpulse verwendet und die Technik der Anrege-Abfrage-Spektroskopie im Experiment eingesetzt. Die Erzeugung der benötigten breitbandigen Abfragepulse mit entgegengerichteter zirkularer Polarisation erfolgt dabei über einen eigens dafür entwickelten Aufbau (Abb. 2) [1]. Dieser Aufbau unterscheidet sich deutlich von anderen in der Literatur bekannten Techniken [2,3].

Abbildung 2: Experimenteller Aufbau zur Messung von zeitaufgelöstem Zirkulardichroismus.

Eine Abschlussarbeit in diesem Projekt kann viele Arbeitsbereiche umfassen. Hierzu gehören natürlich der Umgang mit Lasern und optischen Bauelementen. Dazu kommen, je nach Thema der Arbeit, die folgenden Arbeitsbereiche:

  • Literaturrecherche und Identifizierung neuer chiraler Moleküle die untersucht werden können.
  • Feinjustage des bestehenden Aufbaus, hierzu wird Fingerspitzengefühl gebraucht.
  • Pulsformung und Pulskomprimierung.
  • Erweiterung des Aufbaus, um zukünftig kohärente mehrdimensionale Spektroskopie durchzuführen.
  • Datenauswertung mit gängigen Programmen wie MatLab, Glotaran und LabView.

Kontakt:

Karina Heilmeier, karina.heilmeier@uni-wuerzburg.de

Literatur zur Übersicht:

[1] L. Ress et al., Chem. Sci. (2023)

[2] A. Trifonov et al., Rev. Sci. Instrum., 81, 043104 (2010)

[3] M. Scholz et al., J. Phys. Chem. Lett., 10, 5160 (2019)

Abgeschlossene Abschlussarbeiten

Das Thema deiner Abschlussarbeit in unserem Arbeitskreis wird immer anhand der aktuellen Forschungsarbeiten im Labor vergeben. Daher ist es nicht sinnvoll ständig neue, offene Themen hier auszuschreiben. Nimm einfach Kontakt mit uns auf! Um einen Eindruck über mögliche Abschlussarbeiten in diesem Projekt zu bekommen, werden dir im Folgenden eine Auswahl bereits abgeschlossener Arbeiten vorgestellt.

Bachelorarbeit

Charakterisierung eines Setups zur Erzeugung zirkularer Laserpulse

Diese Bachelorarbeit bestand daraus, den neuen Aufbau zur Messung von zeitaufgelöstem Zirkulardichroismus zu charakterisieren und zu verbessern. Hierbei wurden verschiedene Abbildungsfehler und Polarisationszustände eines breitbandigen Laserstrahls identifiziert und optimiert. Dafür wurden die Messdaten im Detail ausgewertet und die für die Abbildungsfehler verantwortlichen Optiken ersetzt. In Abbildung 3 ist das zweidimensionale Strahlprofil um den Fokus herum des Laserstrahls vor (links) und nach dem Austausch einer Optik (rechts) dargestellt. Das Profil verbessert sich von einer länglichen Form zu einer deutlich runderen und kleineren Form.

Abbildung 3: Strahlprofile des breitbandigen Laserstrahls um die Fokusposition herum. Die linken Profile zeigen ein längliches Strahlprofil. Nach dem Austausch verschiedener Optiken, welche zur Verzerrung des Strahlprofils beigetragen haben, konnte ein deutlich runderes Strahlprofil erzeugt werden. Dies ist auf der rechten Seite zu sehen. Zudem wurde der Strahl auch im Durchmesser verkleinert und der Astigmatismus konnte reduziert werden.

Masterarbeit

Zeitaufgelöste Zirkulardichroismus-Spektroskopie an Squarain-Polymeren

In diesem Projekt wurden die ultraschnellen Dynamiken eines chiralen Squarain-Polymers in verschiedenen Lösungsmitteln untersucht. Es hat sich gezeigt, dass durch verschiedene Polaritäten und Löslichkeitsparameter der drei verwendeten Lösungsmittel verschiedene Strukturen des Polymers ausgebildet werden (Abb. 4). Es bildet sich zum Beispiel in Aceton ausschließlich eine Helix-Struktur aus, wohingegen in Diethylformamid (DEF) eine Mischung aus Helix und linearem Strang entsteht. Die Helix ist nur in eine Richtung orientiert und ist demnach chiral. Mittels zeitaufgelöster Absorptions- und Zirkulardichroismus-Spektroskopie können auch unterschiedliche Dynamiken der angeregten Zustände in den verschiedenen Lösungsmitteln festgestellt werden. Durch die Besonderheit des neuen Aufbaus zur Messung des zeitaufgelösten Zirkulardichroismus können diese Dynamiken genauer untersucht und beschrieben werden als mittels herkömmlicher transienter Absorption.

Abbildung 4: Oben ist die Squarain-Monomereinheit gezeigt, die eine homochirale Helix bildet, wenn der chirale Rest R₂* angehängt ist. Unten ist schematisch die Überstruktur des Polymers in verschiedenen Lösungsmitteln dargestellt.