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Einzigartige Einblicke in Moleküle möglich gemacht

Pionierleistung der IBM Forschung

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Erstmals können die Unterschiede in den chemischen Bindungen zwischen verschiedenen Atomen innerhalb eines Moleküls mit einem Rasterkraftmikroskop direkt abgebildet und nachgewiesen werden. Die renommierte Fachzeitschrift Science zeigt die bahnbrechende Arbeit in der Ausgabe vom 14. September auf der Titelseite.

Rüschlikon, Schweiz, 14. September 2012— Mit einer bisher unerreichten Auflösung und Präzision gelang es Physikern am IBM (NYSE: IBM) Forschungslabor in Rüschlikon mithilfe eines Rasterkraftmikroskops (englisch Atomic Force Microscope, kurz AFM), erstmalig die Bindungsordnung und Länge einzelner Bindungen in Molekülen direkt abzubilden. Den Wissenschaftlern gelang damit ein Durchbruch auf dem Gebiet der Nanowissenschaften, der der Erforschung neuartiger Bauelemente auf der atomaren und molekularen Skala neue Möglichkeiten eröffnet. Die Technik könnte insbesondere die Entwicklung von zukünftigen Elektronikbauteilen aus Graphen weiter vorantreiben. Graphen, das nur aus einer einzelnen Lage Kohlenstoff besteht, wird für verschiedene Anwendungsbereiche untersucht, etwa in Computerchips, in der drahtlosen Kommunikation, in organischen Solarzellen oder in organischen Leuchtdioden für Displays.

Die IBM Forscher um Gerhard Meyer haben in den letzten Jahren bereits erstaunliche Fortschritte auf dem Gebiet der Oberflächenmikroskopie erzielt. So konnten sie erstmals die chemische Struktur einzelner Moleküle mit dem AFM auflösen und die Ladungsverteilung innerhalb eines Moleküls abbilden. In der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Science berichten die IBM Forscher nun, wie sie selbst die feinen Unterschiede in der Bindungsordnung und Länge einzelner chemischer Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen in einem C60-Molekül mit dem AFM auflösen konnten. C60 ist wegen seiner fussballartigen Form auch als Buckyball bekannt. Zudem haben die Forscher ihre Technik an zwei weiteren kohlenstoffbasierten Molekülen, so genannten polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen, die Flocken von Graphen ähneln, demonstriert. Diese wurden vom Centro de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CIQUS) der Universidade de Santiago de Compostela und dem Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Toulouse synthetisiert.

Die einzelnen Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen in diesen Molekülen unterscheiden sich geringfügig in ihrer Länge und Stärke. Diese subtilen Unterschiede sind ausschlaggebend für die chemischen, elektrischen und optischen Eigenschaften der Moleküle. 

Die nun gezeigte Fähigkeit, diese feinen Unterschiede mit dem AFM aufzuspüren und direkt nachzuweisen, liefert neue Einblicke in das Bindungsverhalten von Molekülen auf atomarer Skala. Für die Entwicklung von massgeschneiderten Elektronikbauteilen auf der Nanoskala ist dieses Wissen essentiell. So könnte man mit dieser Methode untersuchen, wie sich Bindungen in Graphen entlang von Defekten verhalten, oder wie sich Bindungen in Molekülen durch chemische Reaktionen oder in angeregten Zuständen des Moleküls verändern.

Neue Auflösungsgrenze erreicht

Wie bereits in früheren Forschungsarbeiten nutzte das IBM Team ein AFM mit einer Spitze, die mit einem einzelnen Kohlenstoffmonoxid-Molekül (CO) terminiert ist. Diese Spitze, die auf einem schwingenden Federbalken angebracht ist, wird sehr nah an die Probe herangeführt und misst Punkt für Punkt die zwischen Probe und Spitze auftretenden Kräfte. Die vielen einzelnen Messpunkte ergeben so eine Abbildung der Probe. Das CO-Molekül am Ende der Spitze dient dabei als „Vergrösserungsglas“, das die Auflösung des AFMs erhöht, so dass die atomaren Strukturen des Moleküls sichtbar werden. 

„Wie wir herausgefunden haben, sind zwei Kontrastmechanismen relevant, um die Bindungen mit dem AFM aufzulösen. Der erste basiert auf kleinen Unterschieden in der Kraft, die über den Bindungen gemessen wird. Diese Art von Kontrast hatten wir erwartet, aber es war eine Herausforderung, ihn sichtbar zu machen“, erklärt IBM Forscher Leo Gross. „Der zweite Kontrastmechanismus war dagegen eine Überraschung. Wir stellten fest, dass sogar die unterschiedlichen Längen der Bindungen in den AFM-Messungen detektiert wurden. Berechnungen ergaben, dass ein seitliches Schwenken des CO-Moleküls an der Spitze der Grund für diesen Kontrast ist.“ 

Damit waren die Forscher in der Lage, Längenunterschiede in den Bindungen von nur 3 Pikometer oder Milliardstel Millimeter zu messen, was dem Hundertstel des Durchmessers eines Atoms entspricht. Um diese bisher unerreichte Sensitivität zu erzielen, mussten die Forscher Moleküle wählen, bei denen störende Hintergrundeffekte ausgeschlossen werden konnten. Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen, die in Zusammenarbeit mit der Forschungsgruppe Computational Sciences am IBM Forschungslabor in Rüschlikon durchgeführt wurden, untermauerten die experimentellen Resultate. Diese lieferten auch Erkenntnisse über das Schwenken des CO-Moleküls an der AFM-Spitze, das das sehr scharfe Bild der Bindungen erzeugt.

Mit Rastersondenmikroskopen immer tiefer in den Nanokosmos vordringen

„Mit der Entwicklung der Rastersondenmikroskopie und verwandten Techniken in den 1980er Jahren wurde die Tür zum Nanokosmos weit aufgestossen“, heisst es im Einführungsartikel der ersten Ausgabe von Nature Nanotechnology im Jahr 2006 [1]. Das STM und das AFM bilden zwei herausragende Instrumente für die Forschung auf atomarer und molekularer Skala. Das STM wurde 1981 von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer am IBM Forschungslabor Zürich erfunden und ermöglichte es erstmals, einzelne Atome auf einer Oberfläche sichtbar zu machen. Für diese bahnbrechende Entwicklung erhielten die beiden Wissenschaftler 1986 den Nobelpreis in Physik. 

Das STM ist jedoch kein traditionelles Mikroskop. Optische Mikroskope erreichen ihre Grenze bei einer Auflösung von etwa 250 Nanometern, das entspricht ungefähr der halben Wellenlänge von sichtbarem Licht. Das STM „sieht“ die Atome nicht, sondern „fühlt“ sie mit einer äusserst feinen Spitze. Wird diese sehr nahe über die Probenoberfläche herangeführt und eine Spannung angelegt, kann ein Strom zwischen der Spitze und der Probe aufgrund des quantenmechanischen Tunnelns von Elektronen gemessen werden. Hält man diesen Tunnelstrom konstant, so lässt sich durch Aufzeichnen der vertikalen Bewegung der Spitze beim Abrastern eine Struktur der Oberfläche mit atomarer Auflösung abbilden.
Siehe Video.

Einzelne Atome und Moleküle können mit dem STM auch gezielt verschoben und platziert werden. Dies wurde von Don Eigler bei IBM Research - Almaden 1989 erstmals demonstriert, indem er 35 Xenon-Atome gezielt zu den Buchstaben „I-B-M“ anordnete.
Siehe Video.

Das AFM, das 1985 von Gerd Binnig erfunden wurde, basiert auf einer Messspitze, die an einem beweglichen Federbalken angebracht ist. Dadurch lassen sich die winzigen Kräfte zwischen der Spitze und der Probe bestimmen, um so ein hochaufgelöstes Bild der Probe zu generieren.
Siehe Video.

Das STM und das AFM eröffnen die Möglichkeit, in Bereichen von einem millionstel Millimeter und darunter Strukturen abzubilden und darüber hinaus neuartige Nanobauelemente zu konstruieren und zu erforschen. Die Rastersondenmikroskopie ist damit nicht nur für die Wissenschaft von grundlegender Bedeutung, sondern auch ein wichtiger Wegbereiter für zukünftige Innovationen in der Informationstechnologie, Energietechnik, Medizin, Umwelttechnik und vielen anderen Bereichen. 

[1] C. Gerber, H. P. Lang, “How the doors to the nanoworld were opened,” Nature Nanotechnology 1, p.3 - 5 (2006), DOI: 10.1038/nnano.2006.70

Die vorliegende Forschungsarbeit wurde im Rahmen der EU-Projekte ARTIST, HERODOT und CEMAS sowie vom spanischen Ministerium für Wirtschaft and Wettbewerbsfähigkeit und der Regionalregierung von Galizien unterstützt.

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Chris Sciacca
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