Suprafluide Heliumtröpfchen: außergewöhnlich kalte Nanomatrices für Moleküle und molekulare Komplexe

Abstract

Dieser Aufsatz gibt einen Überblick über neuere Experimente zur Spektroskopie und zu chemischen Reaktionen von Molekülen und Komplexen in Heliumtröpfchen. Im Inneren solcher Matrices wird eine ähnlich hohe spektroskopische Auflösung wie in der Gasphase erzielt, und durch Verdampfungskühlung lässt sich eine isotherme Tieftemperaturumgebung von T=0.37 K (4He‐Tröpfchen) oder 0.15 K (3He‐Tröpfchen) aufrechterhalten – kälter als in den meisten Festkörpermatrices möglich ist. Die Heliumtröpfchentechnik kombiniert somit die Vorteile von Gasphasen‐ und klassischen Matrixisolationstechniken. Ein wichtiger Punkt ist, dass die suprafluide Heliumumgebung binäre Stöße erleichtert und die bei der Rekombination freigesetzte Bindungsenergie absorbiert. Die Tröpfchen lassen sich folglich als isotherme nanoskopische Reaktoren betrachten, in denen Einzelmoleküle, Cluster oder sogar einzelne reaktive Stöße bei ultratiefen Temperaturen isoliert werden können.

Cationic Complexes of Hydrogen with Helium

“…The estimated average number of helium atoms per droplet formed in the expansion is about 10 6 ; the droplets are superfluid with a temperature of ≍0.37 K 27. The resulting supersonic beam was skimmed by a 0.8 mm conical skimmer, located 8 mm downstream from the nozzle.…”

“…The second experimental study, by Toennies and co-workers,26 utilized the technique to grow atomic or molecular clusters in ultracold superfluid helium nanodroplets 27, 28. Excess energy released during cluster formation and subsequent ionization of the dopant was quickly removed from the nascent ion by the evaporation of helium.…”

Ion–Molecule Reactions in Helium Nanodroplets Doped with C60 and Water Clusters

“…[1] In a lowpressure environment, the droplets cool within microseconds to 0.37 K by evaporation of weakly bound helium atoms. Molecules captured in collisions with a superfluid droplet will quickly aggregate in the droplets interior into novel, often metastable structures.…”

“…Molecules captured in collisions with a superfluid droplet will quickly aggregate in the droplets interior into novel, often metastable structures. [2] These "personal nanocryostats" [1] may be used to explore chemical reactions. For example, Müller et al reported that ionization initiates complete hydrolysis of cesium-water complexes within the droplets.…”

“…[1,24] How do they form? Electron-impact ionization of doped helium droplets starts with formation of He + , which migrates through the droplet by charge hopping until charge exchange with the dopant occurs.…”