Mehr Licht in die Chemie bringen

17.02.2020

Licht spielt eine herausragende Rolle im alltäglichen Leben und auch in der Forschung. Da man mithilfe von Licht auch Moleküle beobachten und manipulieren kann, beschäftigen sich auch viele Chemiker*Innen mit den Wechselwirkungen zwischen den Licht und Molekülen. Da viele licht-ausgelöste chemische Prozesse aber sehr schnell ablaufen und sehr kompliziert sein können, ist die Computer-Simulation dieser Prozesse mittlerweile ebenfalls ein etabliertes Forschungsfeld.

In einem neuen Review-Artikel in der Fachzeitschrift "Angewandte Chemie" geben Leticia González vom Institut für Theoretische Chemie und Sebastian Mai vom Institut für Photonik der Technischen Universität Wien einen Überblick über neueste Entwicklungen auf diesem Gebiet der "theoretischen Photochemie".

Chemische Reaktionen und physikalische Prozesse, welche durch Lichtabsorption ausgelöst werden, sind heutzutage allgegenwärtig. Man nutzt sie in chemischen Synthese-Verfahren und Katalysen um neue Moleküle zu konstruieren oder Energie zu speichern, aber auch in Solarzellen und Leuchtdioden um elektrische Energie und Strahlungsenergie ineinander umzuwandeln. Außerdem spielt Licht eine große Rolle für alle lebenden Organismen ─ man denke nur an Photosynthese, Vitamin D-Produktion oder den Sehprozess. Darüberhinaus gibt es viele biologische und medizinische Bildgebungsverfahren und sogar medizinische Therapien, welche auf Licht basieren.

Licht versetzt Moleküle in Bewegung

Was all diese Prozesse vereint, ist die Tatsache, dass in mindestens einem ihrer Teilschritte ein Photon, also ein Lichtteilchen, von einem Molekül aufgenommen oder abgegeben wird. Wenn ein Molekül ein Photon aufnimmt, dann werden davon im ersten Schritt die Elektronen im Molekül in ein höheres Energienivaeu versetzt, man spricht dann von einem angeregten Zustand. In einem solchen Zustand ändert sich die Stärke der chemischen Bindungen zwischen den Atomkernen, sodass sich im zweiten Schritt die Atomkerne in Bewegung setzen. Dies kann dann viele verschiedene Folgeprozesse auslösen, beispielsweise den Zerfall oder die Umlagerung des Moleküls (eine photochemische Reaktion), eine Änderung eines Elektronenspins, das Aussenden eines weiteren Photons, oder die Rückkehr in den Ausgangszustand begleitet von einer Erwärmung (drei typische photophysikalische Prozesse).

Um neue photochemische Anwendungen zu entwickeln, ist es sehr wichtig, die genauen Abläufe dieser verschiedenen Prozesse im Detail zu verstehen. Dafür sind, abgesehen von sehr aufwendigen Laserspektroskopie-Experimenten, numerische Simulationen heutzutage das wichtigste Werkzeug für Forschende. Diese Simulationen erlauben es, die Anregungen der Elektronen und die Bewegungen der Atomkerne in "Echtzeit" zu verfolgen, in einer Art "molekularem Animationsfilm". Darauf aufbauend kann man verstehen, warum verschiedene Moleküle verschiedene Folgeprozesse durchlaufen, und später ein Molekül für eine bestimme Anwendung maßschneidern.

Immer bessere Algorithmen erforderlich

Die größte Herausforderung bei solchen numerischen Simulationen ist die Rechenzeit, die allerdings sehr schnell anwächst, wenn man mehr und mehr Atome berücksichtigen will. Deswegen braucht es immer neuere, effizientere Computer-Algorithmen für die Beschreibung der elektronischen Zustände und der Bewegung der Atomkerne. "In den letzten Jahren hat die Forschungsgemeinschaft viele neue, sehr interessante Methoden für die theoretische Photochemie hervorgebracht. Einige moderne Rechentechniken erlauben es jetzt, sehr komplizierte elektronische Zustände zu beschreiben, welche anders gar nicht verstanden werden können. Weitere neue Entwicklungen fokussieren sich darauf, mithilfe von maschinellem Lernen, Rechenbeschleunigung durch Grafikkarten oder mehrstufigen Modellen die Berechnungen schneller und effizienter zu machen. Diese vielen Neuheiten haben wir in unserem Review besonders hervorgeheben." sagt Sebastian Mai, einer der Autoren.


 doi.org/10.1002/anie.201916381

Leticia González (Institut für Theoretische Chemie), Sebastian Mai (Institut für Photonik der Technischen Universität Wien) (Copyright Jin Wen)
Mit den Mitteln der theoretischen Photochemie können molekulare Animationsfilme erstellt werden. (Copyright Sebastian Mai)