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Supermikroskop : Der Chemie in Zeitlupe zusehen

Einmaliger Schnappschuss von den Molekülorbitalen (rot) des Pentacen. Darunter sieht man das entsprechende Modell des Pentacen hervorscheinen. Bild: Dominik Peller

Eine spektakuläre Serie von Momentaufnahmen: Forscher aus Regensburg haben ein Rastertunnelmikroskop so modifiziert, dass es schnelle Molekül-Bewegungen mit Laserpulsen filmt.

          Die Rastertunnelmikroskopie ist zu einem unverzichtbaren Verfahren in der Nanotechnik geworden. Die Wissenschaftler können damit Oberflächen bis in ihre atomaren Details untersuchen und abbilden, aber auch einzelne Atome und Moleküle manipulieren sowie deren chemische Natur analysieren. Wissenschaftlern von der Universität Regensburg ist es nun gelungen, den Anwendungsbereich der Tunnelmikroskopie um eine wesentliche Facette zu erweitern. Es lassen sich jetzt nicht nur einzelne Moleküle abbilden, sondern auch deren schnelle Bewegungen in Zeitlupe verfolgen.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Herzstück eines jeden Rastertunnelmikroskops ist eine feine Nadel, deren Spitze aus einem einzelnen Atom besteht. Sie wird in geringem Abstand zeilenweise über die Probe geführt. Dabei ist zwischen Spitze und Oberfläche eine Spannung so angelegt, dass die Elektronen aus der Probe in die Abtastnadel „tunneln“. Da die Stärke des Stroms mit der Beschaffenheit der Oberfläche variiert, lässt sich auf diese Weise ein topographisches Abbild der Probe mit Nanometer-Auflösung gewinnen. Man kann mit der Abtastnadel aber auch einzelne Atome hin- und herschieben, anheben und wieder absetzen.

          Einzig die schnellen Bewegungen und Schwingungen von Molekülen, die auf einer Oberfläche sitzen, waren der Rastertunnelmikroskopie bislang nicht zugänglich. Denn es dauert üblicherweise Millisekunden bis Sekunden, um ein Molekül abzubilden. Viel zu lange für die extrem schnellen molekularen Bewegungen und Schwingungen, die sich auf einer Zeitskala von Pikosekunden bis Femtosekunden (10-12 bis 10-15 Sekunden) abspielen.

          Zwei kurze Laserpulse

          Die Wissenschaftler aus Regensburg haben ihr Rastertunnelmikroskop entsprechend modifiziert, um die molekularen Schwingungen filmen zu können. Dazu griffen sie auf eine Verfahren zurück, das man üblicherweise in der Femtosekunden-Laserspektroskopie nutzt und auf zwei kurz aufeinanderfolgenden Schritten basiert: Ein kurzer Laserpuls regt zunächst das zu untersuchende Molekül an und setzt dadurch eine Reaktion in Gang. Ein zweiter Laserpuls, den man kurz darauf einstrahlt, analysiert den ablaufenden Prozess. Dadurch erhält man eine Art Momentaufnahme von der Reaktion.

          Als Untersuchungsobjekt diente den Forschern um Rupert Huber und Jascha Repp ein Pentacen-Molekül, das sie auf eine dünne Kochsalz-Oberfläche gebracht hatten. Dicht über das organische Molekül, das aus fünf Benzolringen zusammengesetzt ist, positionierte man die Wolframspitze des Rastertunnelmikroskops. Dann bestrahlte man die Spitze mit zwei jeweils extrem kurzen Laserblitzen. Der erste diente dazu, Elektronen in den Molekülorbitalen des Pentacens anzuregen, so dass dieses auf der Kochsalzunterlage zu schwingen begann. Der nachfolgende zweite Laserpuls erzeugte für eine Zeitspanne von nur etwa 100 Femtosekunden zwischen der Spitze und dem Molekül ein elektrisches Feld, das gezielt einzelne Elektronen aus den Orbitalen herauslöste und Richtung Spitze beschleunigte.

          Eine Serie von Momentaufnahmen

          Auf diese Weise gelang es den Physikern, einen Schnappschuss der Pentacen-Probe zu schießen und einen Schwingungszustand festzuhalten, wie sie in der Zeitschrift „Nature“ berichten. Mit einer Serie solcher Momentaufnahmen konnten die Forscher schließlich in einem Zeitlupenfilm festhalten, wie das Molekül auf und ab oszillierte. Das Pentacen schwang mit einer Periode von weniger als einer Billionstel Sekunde und einer Amplitude von wenigen Hundertstel eines Atomdurchmessers.

          Als Wellenlänge für die Laserpulse hatte man den Terahertz-Bereich gewählt. Dieser Spektralbereich erstreckt sich zwischen dem fernen Infrarot und dem Mikrowellenbereich. Dadurch umging man das Risiko, dass die Laserpulse von der Wolframspitze absorbiert wurden, wodurch sich die Abtastnadel aufgeheizt hätte. Störungen bei den Messungen des Tunnelstromes wären die Folge gewesen. Die Forscher wollen mit ihrer Rastertunnelmikroskop-Kamera nun auch die schnellen mikroskopischen Bewegungen anderer Substanzen filmen. Damit könnte man, so die Vision, sogar den Ablauf chemischer Reaktionen in Zeitlupe verfolgen.

          Quelle: F.A.Z.

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