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Veröffentlicht: 22.09.2012, 06:00 Uhr

Mikroskopie Zoom in die Tiefe

Scharfer Blick auf ein einzelnes Molekül: Mit der Rasterkraftmikrospkopie lässt sich inzwischen auch die Natur der chemischen Bindung ertasten.

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© IBM Hexabenzocoronen abgetastet von einem Kraftmikroskop

An eine farbige Kernspinaufnahme erinnert dieses ungewöhnlich scharfe Abbild eines polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoff-Moleküls, das Wissenschaftler vom IBM-Forschungszentrum in Rüschlikon bei Zürich mit einem hochauflösenden Kraftmikroskop angefertigt haben. Die Aufnahme hat recht große Ähnlichkeit mit den bekannten idealisierten Molekülmodellen in den Chemie-Lehrbüchern. Deutlich zu erkennen sind die 13 sechseckigen Kohlenstoffringe des nur ein Nanometer (Millionstel Millimeter) großen Hexabenzocoronen-Moleküls. An jeder Ecke sitzt ein Kohlenstoffatom.

Hexabenzocoronen-Molekül: Natur und Wissenschaft, Physik und Chemie © IBM Vergrößern Hexabenzocoronen-Molekül als Modell

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Scharfe Sechsecke

In dem organischen Molekül treten chemische Bindungen mit verschiedenen Bindungsordnungen zwischen eins und zwei auf - also Einfachbindungen, Doppelbindungen und Überlagerungen davon -, was die Forscher um Gerhard Meyer an der Verteilung der Elektronendichte erkennen können. Den roten Stellen entsprechen zum Beispiel Zwischenräume, in denen sich keine Atome befinden. Dort ist  die Elektronendichte im Vergleich zu den grünen Bereichen  eher niedrig. Auffällig sind auch die abgerundeten Stellen der peripheren Hexagone. Dort hängt an  jedem Kohlenstoffatom ein Wasserstoffatom.

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Kohlenmonoxid als Sonde

Für die Aufnahme, die rund eine halbe Stunde in Anspruch genommen hat, wurde die schnell oszillierende Spitze des Kraftmikroskops extrem dicht an die Probe herangeführt, ohne diese zu berühren. Dabei tauchte die Spitze sogar in die Elektronenwolke ein, die das Molekül umgab. Damit das zu untersuchende Molekül nicht an der Nadel haften blieb, hat man zum Abtasten an die Spitze ein widerstandsfähiges Kohlenmonoxidmolekül geheftet.

Rasterkraftmikroskop: Natur und Wissenschaft, Physik und Chemie © IBM Vergrößern Federbalken mit winziger Siliziumspitze eines Rasterkraftmikroskops

Atomare Bildhauerei

Aus den geringen Kräften, die zwischen den Atomen der Probe und der Spitze wirkten, konnten Meyer und seine Kollegen die Struktur des Hexabenzocoronens schließlich rekonstruieren (“Science“, Bd. 337, S. 1326). Außerdem ließen sich aus der Aufnahme die Längen der Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen ermitteln, und unterscheiden, um welche Art von Bindung es sich handelte. Die Forscher konnten dabei Längenunterschiede der verschiedenen Bindungen von nur drei Milliardstel Millimeter - dem Hundertstel Durchmesser eines Atoms - ausmachen. „Der laterale Kontrast wird durch die seitliche Auslenkung des Kohlenmonoxid-Moleküls verstärkt, wenn die Spitze über eine chemische Bindung geführt wird,“ erklärt Bruno Schuler von IBM, Mitautor der Studie. Genau über der Bindung ist die Abstoßung durch die Van-der-Waals-Kräfte zwischen Probe und Spitze am größten, was sich in der Oszillation des Federbalkens des Kraftmikroskops bemerkbar macht.

Wundermaterial Graphen

Die Wissenschaftler verwendeten für ihre Versuche, die bei minus 268 Grad und unter extrem guten Vakuumbedingungen ausgeführt wurden, neben fußballförmigen Fullerenmolekülen, bewusst die flachen polyzyklischen Aromate, da sie weniger störende Untergrundsignale erzeugten. Obendrein hat die Struktur des Hexabenzocoronens große Ähnlichkeit mit Graphen. Diese einlagigen Graphitschichten gelten als „Wundermaterial“, da sie ungewöhnliche elektrische und mechanische Eigenschaften besitzen. 

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