Posted in: Chemie, Physik 27. August 2009 20:00 Weiter lesen →

Molekulares Fingerspitzengefühl

Illustration zeigt Metallspitze und CO-Molekül aus kugeligen Atomen, darunter ein Höhenbild der Pentacenstruktur Mit ungeahnter Sensibilität haben Schweizer Forscher das Gerüst eines einzelnen Moleküls abbilden können. Indem sie eine hauchfeine Metallspitze dicht über das Molekül führten, konnten sie dessen einzelne Atome und sogar die chemischen Bindungen dazwischen ertasten.

Bild: IBM Research Zürich

Derart hochauflösende Bilder von der atomaren Struktur eines Moleküls sind seit langem ein Traum der Forschung. Verwirklichen lässt er sich mit einem ebenso einfachen wie eleganten Trick, berichten die Forscher um Leo Gross und Gerhard Meyer vom IBM-Forschungszentrum Zürich im Magazin „Science“.

Die Wissenschaftler nutzen für ihre Versuche ein Rasterkraftmikroskop. Herzstück des Instruments ist eine extrem feine Metallspitze. Diese wird in Schwingung versetzt und dann in geringem Abstand über die Probe geführt. Verschiedene Kräfte zwischen Spitze und Probe verändern die Schwingungsfrequenz messbar, sodass Zeile um Zeile eine Art Höhenbild der Probe entsteht.

Pentacenstruktur, Höhenbild aus fünf verschmolzenen Sechsecken, gesäumt von kleinen Zacken Bild: IBM Research Zürich

Eine Schwierigkeit bei dieser Technik liegt darin, eine genügend feine und zugleich wohldefinierte Spitze zu erzeugen. Gross, Meyer und Kollegen lösen dieses Problem, indem sie mit der Metallspitze ihres Rasterkraftmikroskops zunächst ein kleines Kohlenmonoxidmolekül aufnehmen, das dann als eigentliche Sonde fungiert. Auf diese Weise abgetastet, stellt sich ein einzelnes Molekül des Kohlenwasserstoffs Pentacen lehrbuchmäßig als Kette von fünf Kohlenstoffringen mit einem Saum aus Wasserstoffatomen dar.

Durch Vergleich ihrer Messungen mit quantenchemischen Berechnungen konnten die Forscher ermitteln, wie der nötige Kontrast zustande kommt. Insgesamt wirkt das Molekül demnach anziehend auf das Kohlenmonoxid. In Regionen des Pentacens mit hoher Elektronendichte kommt allerdings der abstoßende Effekt der Austauschwechselwirkung hinzu, sodass sich die Elektronenhüllen der Atome und die Bindungselektronen vor dem Hintergrund abzeichnen.

Forschung: Leo Gross, Fabian Mohn und Gerhard Meyer, IBM Research, Zürich Research Laboratory, Rüschlikon; und andere

Veröffentlichung Science, Vol. 325, 28. August 2009, pp 1110-4, DOI 10.1126/science.1176210

WWW:
IBM Research Zürich
Atomic Force Microscopy
Chemische Bindung

Lesen Sie dazu im Scienceticker:
Physiker erzeugen spitzeste Spitze


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