„Mit unserem Mikrospektrometer, das eigentlich eine Art Laser-Mikroskop ist, nehmen wir verschiedene Arten von Spektren auf und messen die Energie der Elektronen im Metall“, erklärt Wouter Koopman. Denn durch das Bestrahlen der Metalloberfläche werden freie Elektronen zu kollektiven Schwingungen angeregt. Die angeregten Elektronen geben hin und wieder ihre gesamte Energie an ein einzelnes Elektron ab. Wieviel Energie diese Elektronen haben und welcher Anteil in der Lage ist, den Nanopartikel zu verlassen, ist Gegenstand von Koopmans Forschung. Das Konzept und Design für das Mikrospektrometer mit einer räumlichen Auflösung von 500 Nanometern hat er selbst entworfen und das Gerät aus einzelnen Komponenten zusammengebaut. Es kann mit unterschiedlichen Elementen ständig verändert und für verschiedene Zwecke angepasst werden.
Dem Klimawandel gegensteuern
Aber wieso interessiert sich der Physiker überhaupt für die Elektronenenergie? Weil sich damit chemische Prozesse antreiben lassen. Pflanzen machen es vor: Sie nutzen die Energie der Sonne, um Kohlendioxid und Wasser in Glukose und Sauerstoff umzuwandeln. „Mein persönliches Forschungsziel ist die künstliche Photosynthese“, betont er. Damit könnte man Kohlendioxid aus der Luft entnehmen und langfristig in kohlenstoffbasierten Chemikalien speichern. „Es reicht nicht, den Kohlendioxid-Ausstoß zu reduzieren. Selbst, wenn gar kein Kohlendioxid mehr ausgestoßen würde, bekämpfen wir den Klimawandel effektiv noch nicht.“ Koopman bezieht sich auf den letzten Weltklimabericht des Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Im Auftrag des IPCC stellen Fachleute weltweit regelmäßig den aktuellen Kenntnisstand zum Klimawandel zusammen und bewerten ihn aus wissenschaftlicher Sicht. Der Bericht geht davon aus, dass in diesem Jahrhundert 100 bis 1.000 Gigatonnen Kohlendioxid aus der Atmosphäre entnommen werden müssen, um dem Klimawandel gegenzusteuern.
Nanometalle erforschen
Ideen zu künstlicher Photosynthese gibt es schon seit den 1970er-Jahren, aber die Methoden waren bisher nicht effizient. Die von Wouter Koopman und seinem Team entwickelte Technik findet daher international viel Beachtung. Kohlendioxid als Rohstoff betrachten und daraus nützliche Chemikalien wie Kunststoffe gewinnen – das kann mithilfe metallischer Nanopartikel gelingen. Im November 2023 wurde zu diesem Thema der Sonderforschungsbereich (SFB) 1636 „Elementary Processes of Light-Driven Reactions at Nanoscale Metals“ durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft bewilligt. Das wissenschaftliche Ziel ist die Entwicklung eines umfassenden, grundlegenden mikroskopischen Verständnisses der elementaren Prozesse, die zu lichtgesteuerten chemischen Reaktionen an Metallen im Nanomaßstab führen. Der SFB ist eine gemeinsame Initiative der Institute für Chemie und für Physik und Astronomie der Universität Potsdam in Kooperation mit außeruniversitären Einrichtungen und der Humboldt-Universität zu Berlin. „Hier in Potsdam arbeiten die Physik und die Chemie sehr eng zusammen und es gibt beispielsweise gemeinsame Messkampagnen“, sagt der Forscher. Innerhalb des SFB möchte er ein neues quantenmechanisches Konzept betrachten, um die Nanopartikel noch besser nutzen und die Lichtenergie effizienter in chemische Reaktionen einbauen zu können. „Dazu stellen wir die Nanopartikel selbst her und können sie im Labor mit ihrer Umgebung interagieren lassen“, sagt er.
Der innovative Forschungsbereich, der Nanotechnologie und Photonik miteinander verbindet, wird Plasmonik genannt. „Mein Mentor und Leiter unserer Arbeitsgruppe Prof. Matias Bargheer unterstützt mich sehr beim Aufbau eines Plasmonik- Bereichs“, berichtet Wouter Koopman. Neben der Veröffentlichung zahlreicher wissenschaftlicher Fachartikel betreut er Masterstudierende und gibt Lehrveranstaltungen – beste Voraussetzungen für eine Habilitation, die er in diesem Jahr anstrebt.
Dieser Text erschien im Universitätsmagazin Portal - Eins 2024 „Welt retten“ (PDF).