Ein Ion als Spion

Auch heute noch steckt in der Chemie viel altes Handwerk: Man mischt etwas zusam­men, und am Ende kommt etwas dabei heraus. Interessanter als das Ergebnis kann aber zuweilen sein, was dazwischen passiert. Die Kieler Forscherin Dr. Huayna Terraschke hat eine Methode entwickelt, um das herauszufinden.

Chemische Reaktionen sind Prozesse, die oft so schnell vor sich gehen, dass sie kaum nachvollzogen werden können. »Bevor wir das Endprodukt haben, bilden sich häufig Zwischenprodukte, die sich für wenige Sekunden oder Minuten halten«, erläutert Huayna Terraschke. Um dieser Zwischenprodukte wissenschaftlich habhaft zu werden, bedarf es also des Zugriffs im Moment des Geschehens oder in situ, wie der lateinische Fachbegriff heißt.

»Das kann super interessant für die Wissenschaft wie für die Industrie sein«, betont die Forscherin. »Die Zwischenprodukte können interessante Eigenschaften haben, werden aber nie entdeckt, wenn das Produkt erst nach der fertigen Reaktion analysiert wird«, fügt sie hinzu. In-situ-Analysemethoden können genau solche Entdeckungen möglich machen, indem sie die Synthesebedingungen optimieren, um das Zwischenprodukt zu stabilisieren.

Die ebenso vergänglichen wie unzugänglichen Geheimnis­träger werden dabei mit einem Trick überlistet. Den jewei­ligen Festkörperverbindungen, die als Ausgangsmaterial dienen, wird ein Ion stibitzt, um es durch ein ähnlich großes Ion zu ersetzen, das einen entscheidenden Unterschied aufweist: Es leuchtet. Dank dieses zum Spion gewordenen Ions lässt sich nun das Geschehen während der Reaktion optisch nachvollziehen. Wird das Teilchen heller oder dunk­ler oder verändert es seine Farbe, müssen logischerweise veränderte chemische Eigenschaften zugrunde liegen. Und die wiederum können durch Faktoren wie Temperatur oder Druck beeinflusst werden, sodass im Umkehrschluss auch Einfluss auf die Ausformung der Zwischenprodukte genom­men werden kann.

Unverzichtbar für die In-situ-Lumineszenz-Analyse sind seltene Erden wie Europium oder Terbium. Diese seltenen Erden wandeln Energie in Licht um, sodass sie die idealen Botschafter sind. »Das Material ist zwar sehr teuer, aber wir brauchen nur sehr geringe Mengen«, betont Huayna Terraschke, dass sie keineswegs Luxusforschung betreibt.

Zudem werden die edlen Krümel teilweise doppelt genutzt, nämlich als Hilfsmittel und als Forschungs­objekte. Je mehr über die Prozesse bekannt ist, desto effektiver lassen sich nach Terraschkes Einschätzung zum Beispiel LED-Leuchten produzieren. Auch vermutet die Chemieingenieurin, dass dieses genaue Hinsehen helfen kann, neue Materialien für wärmere Lichtfarben zu erzeugen.

In situ, also in der Situation, betrachtet die Wissenschaft indes schon seit geraumer Zeit chemische Prozesse. Das geschieht überwiegend in Teilchenbeschleunigern wie dem Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg, das mit der Methode der sogenannten Röntgenbeugung arbeitet. Diese Methode hat laut Huayna Terraschke den »riesengroßen Vorteil«, dass sie hervorragend zur Analyse von Kristallstrukturen taugt. Termine für Versuche sind allerdings mit monatelangen Wartezeiten verbunden, während sich das Kieler Lumineszenz-Verfahren vor Ort realisieren lässt. Obendrein bietet es den Vorzug, dass mit Ionen in Lösungen gearbeitet werden kann und selbst extrem kleine Nanopartikel analysefähig sind.