Oberflächenforschung

Bilder aus der Nanowelt

Von Manfred Lindinger
26.02.2008
, 17:16
Hochauflösend: Ein Rastertunnelmikroskop im Betrieb von Omicron Nanotechnology
Mit Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopen können Wissenschaftler das Verhalten einzelner Atome und Moleküle auf Oberflächen untersuchen. Berliner Physikern ist das nicht genug. Sie blicken in das Innere von Molekülen.
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Ein Bild sagt mehr als tausend Worte, so könnte die Maxime all jener Wissenschaftler lauten, die das Verhalten einzelner Atome und Moleküle mit hochauflösenden Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopen auf Oberflächen untersuchen. Die Instrumente sind mittlerweile so empfindlich geworden, dass sie atemberaubend scharfe Aufnahmen von den Teilchen liefern, selbst wenn diese nur einen Nanometer oder weniger messen. Obendrein verschieben die Forscher mit der feinen Spitze der Mikroskope die Atome und Moleküle auf der Unterlage hin und her, als handele es sich um winzige Billardkugeln. Dabei können sie jeden Schritt ihrer Arbeit sofort sehen und verfolgen.

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Doch die Wissenschaftler begnügen sich längst nicht mehr damit, die Atome und Moleküle mit all ihren äußeren Details abzubilden und zu manipulieren. Sie werfen mit den Rastersondenmikroskopen zunehmend auch eine Blick in das Innere ihrer Forschungsobjekte. Davon kann man sich in dieser Woche auf der Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG) in Berlin überzeugen.

Elektronen fließen gezielt in das Molekül

So tief wie Wilson Ho und seine Kollegen können wohl nur wenige Forscher in das Innere von organischen Molekülen auf Metalloberflächen schauen. Die Wissenschaftler von der University of California in Irvine interessieren sich vornehmlich für die verschiedenen Schwingungs- und Vibrationszustände ihrer Forschungsobjekte. Während man sich zur Anregung von Molekülschwingungen üblicherweise infraroter Laserstrahlen bedient, verwendet Ho einzelne Elektronen, die er aus der Spitze seines Rastertunnelmikroskops gezielt in das Molekül fließen lässt.

Wie Ho in Berlin erklärte, nutzen er und seine Kollegen aus, dass unter bestimmten Bedingungen die Ladungsträger beim Austreten aus der Abtastnadel etwas von ihrer Energie an das Molekül abgeben, das zu schwingen beginnt. Das angeregte Molekül verrät sich über das ausgesandte Floureszenzlicht. Zur Verdeutlichung der verschiedenen Intensitäten in ihren Aufnahmen bedienen sich die Forscher der bewährten Falschfarben-Darstellung. Dank des guten Auflösungsvermögens ihres Instruments können Ho und seine Kollegen die Spitze an jeder beliebigen Stelle der nur knapp einen Nanometer großen Moleküle positionieren und so die Gebilde am Rand oder in der Mitte anregen, was offenkundig einen deutlichen Unterschied macht, wie der Forscher an zahlreichen Aufnahmen demonstrierte.

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Ein Dilemma konnte gelöst werden

So war es ihm und seinen Kollegen gelungen, bei einem ringförmigen Porphyrin-Molekül, in dessen Zentrum ein Magnesiumatom saß, die einfachen Bindungen zwischen dem Metallatom und den vier Stickstoffatomen des aromatischen Moleküls selektiv anzuregen, während die äußeren Bereiche aus vier miteinander verknüpften Fünfringen des Moleküls unbelligt blieben und kein Floureszenzlicht aussandten. Anschließend bewegten sie die Spitze an den Molekülrand, ließen dort Elektronen eindringen und schafften es, ausschließlich die an den vier Ecken sitzenden Fünfecke zu Schwingungen anzuregen und zur Fluoreszenz zu bewegen.

Will man Atome oder Moleküle auf der Oberfläche von einem Ort zu einem anderen verschieben, um sie etwa in einen Molekülverbund einzubauen, so wäre es von großem Vorteil, die Stärke der Kräfte möglichst genau zu kennen, die man dazu aufwenden muss. Da aber keine Waage für diesen Zweck existiert, ließen sich die Kräfte bislang nur abschätzen. Ein Dilemma, das die Forscher um Andreas Heinrich vom Almaden Research Center in San José (Kalifornien) zusammen mit Wissenschaftlern von der Universität Regensburg offenkundig jetzt gelöst haben, wie Markus Ternes in Berlin berichtete. Die Forscher verwendeten für ihre Versuche ein Rasterkraftmikroskop, das ähnlich wie das Rastertunnelmikroskop aus einer feinen Spitze bestand, die am Ende eines stimmgabelförmigen Quarzkristalls saß, der in schnelle Schwingung versetzt wurde.

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Eine Kraft von rund 210 billionstel Newton

Die Forscher führten die Spitze über ein einzelnes Kobaltatom, das auf einer Platinoberfläche platziert war, und beobachteten, wie sich die Schwingungsfrequenz des Kristalls mit dem Abstand zum Atom veränderte. Die Frequenzänderung war gewissermaßen das Maß für die Kraft, mit der sie an dem Atom zerrten. Dann senkten Heinrich und seine Kollegen die Spitze weiter ab und versetzten das Atom in Bewegung. Dabei mussten sie eine Kraft von rund 210 billionstel Newton (Pikonewton) aufwenden (“Scíence“, Bd. 319, S. 1066). Zum Vergleich: Will man eine eine Zweicent-Münze mit einem Gewicht von etwa drei Gramm aufheben, benötigt man knapp das Hundertmillionenfache an Kraft.

Wie Ternes berichtete, hängt die Kraft offenkundig entscheidend von der Art des Atoms und der Unterlage ab, auf der es umherbewegt wird. So war auf einer Kufperoberfläche nur eine laterale Kraft von 17 Pikonewton erfoderlich. Kupferdioxid-Moleküle ließen sich auf der gleichen Unterlage erst bei 160 Pikonewton in Bewegung. Mit dem Wissen lassen sich nun leichter nanometergroße Strukturen gezielt auf Oberflächen konstruieren.

Quelle: F.A.Z., 27.02.2008, Nr. 49 / Seite N1
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
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