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Bild: Cornell University

Ham’s eins g’sehn?

Von ROLAND WENGENMAYR · 18. November 2021
Bild: Cornell University

Die Dinge um uns herum bestehen aus Atomen – diese Aussage war bis Anfang des 20. Jahrhunderts wissenschaftlich umstritten. Heute kann man von Atomen Bilder machen. Doch was „sieht“ man da?

Rekorde sind manchmal relativ. So erschien im vergangenen Mai in Science die Veröffentlichung einer Forschergruppe der Cornell University in Ithaca im amerikanischen Bundesstaat New York, in der sie vermeldeten, ihren eigenen Eintrag ins „Guinness-Buch der Rekorde“ obsolet gemacht zu haben. Ihnen war es nämlich gelungen, die Oberfläche eines Materials in einer Auflösung von zwanzig Pikometern aufzunehmen. Ein Pikometer ist der millionste Teil eines millionstel Meters. Das Cornell-Team hatte besagte Oberfläche damit hundertmillionenfach vergrößern können und dabei die Atome des Materials sichtbar gemacht.

Doch was auf einem Gebiet als Rekord gefeiert wird, ringt Vertretern anderer Disziplinen zuweilen nur müdes Lächeln ab. So dringen Teilchenbeschleuniger schon lange zu subatomaren Skalen vor, bis hinunter zu den Quarks, den Bestandteilen der Bestandteile von Atomkernen. Solche Beschleuniger sind also praktisch „Supermikroskope“ für Strukturen weit kleiner als Atome oder Moleküle. Allerdings sind die dabei erzeugten Bilder nicht unbedingt etwas fürs Auge, sondern informieren die Physiker nur indirekt über das Treiben der Teilchen. Abbilden lassen sie sich nicht.

Das Kristallgitter der Verbindung PrScO3 im Elektronen-Ptychogramm. Die hellen Doppelflecken sind die Elektronenhüllen der Atome des Praseodyms (Pr), die hellen Einzelflecken die des Scandiums (Sc) und die schwächeren Flecken die Sauerstoffatome.
Das Kristallgitter der Verbindung PrScO3 im Elektronen-Ptychogramm. Die hellen Doppelflecken sind die Elektronenhüllen der Atome des Praseodyms (Pr), die hellen Einzelflecken die des Scandiums (Sc) und die schwächeren Flecken die Sauerstoffatome. Bild: Cornell University

Von Atomen hingegen gibt es tatsächlich Bilder und nicht erst seit dem vergangenen Mai. Porträts im Sinne unserer makroskopischen Alltagswelt sind das allerdings auch keine. Sie sind es schon deshalb nicht, weil ein Atom keine individuellen Eigenschaften haben kann, die nur ihm alleine zukämen – derlei ist ihm als Quantenobjekt grundsätzlich verwehrt. In Spezialmikroskopen lassen sich Atome jedoch abbilden, wobei diese nicht alle nach dem gleichen Prinzip funktionieren, wie ein herkömmliches Mikroskop. Lichtmikroskope sind es schon gar nicht, denn Atome haben typischerweise Durchmesser von etwa einem Zehntel Nanometer, also einem Zehntel eines Milliardstel Meters. Die Wellenlängen sichtbaren Lichts liegen dagegen bei einigen Hundert Nanometern, und eine derart ausgedehnte Lichtwelle wird von einem Atom ebenso wenig beeinflusst wie der Seegang eines Ozeans von einer darin schwimmenden Flaschenpost. Wollte man mit einem traditionellen Lichtmikroskop in die Welt der Atome zoomen, erhielte man nur ein strukturloses Bild ohne Information.

Folglich muss eine wesentlich kurzwelligere Strahlung her, hartes Röntgenlicht etwa würde sich anbieten. Allerdings gab es lange keine Linsen, mit denen es sich fokussieren ließe. Erst seit relativ kurzer Zeit erlaubt die Nanotechnik die Fertigung von Röntgenlinsen, die aber nur in sehr engen Grenzen funktionieren. Bewährt haben sich hingegen Elektronen. Als Objekte der Quantenwelt sind sie zugleich Teilchen und Wellen, weswegen man sie zum Zwecke optischer Abbildung einsetzen kann. Die Auflösung eines Elektronenmikroskops lässt sich überdies über die Stärke des elektrischen Felds, das die Elektronen beschleunigt, einstellen. Je schneller ein Elektron danach durch dessen „Optik“ flitzt, desto kürzer ist seine Wellenlänge und desto kleinere Objekte kann es erfassen – im Prinzip jedenfalls. 

Das Pendant zum klassischen Lichtmikroskop ist das Transmissions-Elektronenmikroskop. Darin werden Elektronen mit einer Spannung von einigen Zehntausend bis Hunderttausend Volt beschleunigt und dann durch Magnetfelder geschickt, die wie ein Linsensystem wirken: Sie verbiegen die Flugbahnen der Elektronen und fokussieren sie so auf eine Probe. Nach dem Durchdringen der Probe und Durchlaufen einer weiteren magnetischen Linse erzeugen die Elektronen ein Bild – früher auf einem Leuchtschirm, heute einem Sensor. 

Cobaltatome eines Lithium-Akkus unter dem Elektronenmikroskop. In der Aufsicht scheinen sie Sechsecke zu bilden. Jedes steht für einen Kanal senkrecht zur Bildebene, in dem sich die Lithiumionen beim Laden des Akkus einlagern.
Cobaltatome eines Lithium-Akkus unter dem Elektronenmikroskop. In der Aufsicht scheinen sie Sechsecke zu bilden. Jedes steht für einen Kanal senkrecht zur Bildebene, in dem sich die Lithiumionen beim Laden des Akkus einlagern. Bild: Joachim Meyer, Ernst Ruska-Centre, FZ Jülich


Die Geschichte der Elektronenmikroskopie ist überwiegend eine deutsche Forschungsgeschichte. Die erste Elektronenlinse entwickelte der Physiker Hans Busch in den 1920er-Jahren in Jena, 1931 baute Ernst Ruska mit Kollegen das erste funktionierende Transmissions-Elektronenmikroskop mit einer abbildenden Optik. 1937 schließlich erfand Manfred von Ardenne das Rasterelektronenmikroskop. Dessen Funktionsweise erinnert eher an eine klassische Bildröhre: Zeile für Zeile rastert es eine Probe mit einem scharfen Elektronenstrahl ab und setzt aus den von deren Oberfläche zurückgestreuten Elektronen ein Bild zusammen. 

Das erste Mikroskop-Bild, auf dem echte Atome erkennbar sind, gelang bereits 1951 dem Physiker Erwin Müller. Allerdings war sein Gerät kein Elektronenmikroskop, sondern ein sogenanntes Feldionen-Mikroskop. Die damals sensationelle Aufnahme zeigte Atome auf einer scharfen Spitze einer Wolframnadel als helle Punkte in einer ringförmigen Anordnung. Das Feldionen-Mikroskop war vergleichsweise primitiv und kam ohne fokussierende Optik aus. Genau das war damals der entscheidende Vorteil, denn die magnetischen Linsen der Transmissions-Elektronenmikroskope waren noch viel zu ungenau, um atomare Bildauflösung zu erreichen. Das Feldionen-Mikroskop nutzte auch keine Elektronen, sondern elektrisch geladene Edelgasatome. Grob gesagt, übertrugen diese Ionen das Atommuster im Wolframkristall der Nadelspitze auf einen kuppelförmigen Leuchtschirm. Allein diese Geometrie sorgte für die nötige massive Vergrößerung, wie die Projektion eines Handschattenspiels mit einer starken Lampe auf eine große Leinwand. 

Hätte es Aufnahmen wie die Müllers schon im späten 19. Jahrhundert gegeben, hätten sie schlagartig einen leidenschaftlichen Streit beenden können. Denn damals war keineswegs ausgemacht, ob es Atome überhaupt gibt. Es gab einflussreiche Naturwissenschaftler, die fest davon ausgingen, das Materie ein bis ins unendlich Kleine teilbares Kontinuum ist. Der Disput zwischen den „Atomisten“ und ihren Gegnern tobte auf öffentlichen Tagungen – sehr zum Entzücken des Saalpublikums. Führender Atomist war der Österreicher Ludwig Boltzmann, heute eine der wichtigsten Gestalten der Physikgeschichte. Für seine Gegner war er aber einer, dem die damals noch hypothetische Existenz von Atomen zu Kopfe gestiegen war. Zu diesen Gegnern zählte der einflussreiche Physiker und Philosoph Ernst Mach, ebenfalls Österreicher. Anekdoten zufolge soll er Atomisten gerne mit der Frage „Ham’s eins g’sehen?“ geärgert haben. 

Die Oberfläche eines Aluminiumkristalls mit einem Fremdatom als Verunreinigung. Es ist etwa einen Nanometer groß. Rechts wurde ein Aluminium-Atom herausgenommen, was ein kleines schwarzes Loch unterhalb der Verunreinigung hinterlässt, und oberhalb dieser auf der Oberfläche abgelegt. Dieses aus dem engen Kristallgitter befreite Atom dehnt sich aus wie ein zuvor eingeklemmter Ballon.
Die Oberfläche eines Aluminiumkristalls mit einem Fremdatom als Verunreinigung. Es ist etwa einen Nanometer groß. Rechts wurde ein Aluminium-Atom herausgenommen, was ein kleines schwarzes Loch unterhalb der Verunreinigung hinterlässt, und oberhalb dieser auf der Oberfläche abgelegt. Dieses aus dem engen Kristallgitter befreite Atom dehnt sich aus wie ein zuvor eingeklemmter Ballon. Bild: MPI-FKF


Die Frage des „Sehens“ von Atomen als wissenschaftlicher Beleg beschäftigte damals auch Wilhelm Ostwald. Als Pionier der physikalischen Chemie sollte er 1911 den Nobelpreis für Chemie erhalten, war also nicht Irgendwer. Ostwald wechselte sogar von den Atomisten zu den gegnerischen „Energetikern“, welche die Welt als energiedurchflossenes Kontinuum ohne Mikrostruktur auffassten. Er begründete dies damit, dass Wissenschaft eben nur das als physikalische Realität auffassen dürfe, was den Sinnen direkt oder indirekt über Messinstrumente zugänglich sei. Letztere konnten aber damals die Existenz von Atomen noch nicht nachweisen. Boltzmann hatte auf seiner Seite nur theoretische Argumente – allerdings berechtigte, wie sich zeigen sollte. Zum Beispiel konnte er so mit seinen für die Physik ganz neuen statistischen Methoden wichtige thermodynamische Phänomene schlüssig erklären. 

Heute kann man Atome zum Beispiel im Ernst-Ruska-Centrum (ER-C) am Forschungszentrum Jülich durch besonders leistungsstarke Elektronenmikroskope „anschauen“. Benannt ist es nach dem Forscher, der 1986 mit einer Hälfte des Nobelpreises für Physik geehrt wurde. Die besten Mikroskope von heute, die tatsächlich einzelne Atome abbilden können, müssen dazu aufwendig von den Störungen der Umwelt isoliert werden. Sonst liefern sie nur verwackelte Bilder. Joachim Mayer, Materialwissenschaftler und einer der Leiter des ER-C, führt vor, worauf das – je nach Anwendungsgebiet – beste Elektronenmikroskop der Welt namens „Pico“ steht. Es ist ein gigantischer, T-förmiger Betonklotz, der oben durch die Decke ragt und unten auf vier reifenförmigen Luftkissen ruht. „Er wiegt hundert Tonnen“, erklärt Mayer, „und das Fundament darunter nochmals hundert Tonnen.“ Diese unten dämpfende, oben schwingfähige Masse soll das empfindliche Elektronenmikroskop über uns vor dem Rumpeln schützen, das der nicht weit entfernte Tagebau Hambach durch die Erde schickt. Ein Stockwerk höher, in einem abgeschirmten Raum, dürfen wir auch das gerade nicht im Betrieb befindliche, große Transmissions-Elektronenmikroskop besichtigen. 

Atome entzogen sich lange der elektronenmikroskopischen Bildwelt. Das lag an zwei Problemen, die bei klassischen Magnetlinsen nicht korrigierbar waren. Sie sind auch aus der Lichtoptik bekannt. Einer ist der Öffnungsfehler, auch „sphärische Aberration“ genannt. Er tritt bei herkömmlichen Linsen auf, deren Formen zwei zusammengesetzten Kugelsegmenten entsprechen. „Auch magnetische Linsen sind solche ,runden‘ Linsen“, sagt Mayer. Wegen dieser Form brechen sie die Strahlen an ihrem Rand anders als im Bereich ihrer Mitte, und ein Fokuspunkt, der scharf sein sollte, verschmiert zu einem Fleck. In der Lichtoptik lässt sich dieser Fehler durch eine nachgeschaltete, konvexe Linse korrigieren. Bei Magnetlinsen ist das nicht so einfach möglich. In Elektronenmikroskopen gelang diese Korrektur erst in den 1990er-Jahren. Die drei Physiker Maximilian Haider, Harald Rose und Knut Urban entwickelten dazu ein elektronenoptisches Element mit einem speziell geformten Magnetfeld – Urban initiierte später die Gründung des Ernst-Ruska-Centrums.

Der zweite Fehler ist ein sogenannter Farbfehler: Linsen brechen Licht verschiedener Farben, also Wellenlängen, unterschiedlich stark, was zu Farbsäumen im Bild und ebenfalls Unschärfen führt. In Lichtoptiken wird dies durch Zerstreuungslinsen aus einem Material mit einem etwas anderen Brechungsindex abgefangen. Den analogen Fehler in der Elektronenmikroskopie zu korrigieren, erforderte die Erfindung eines zweiten Elements, das ihn mit einem besonders aufwendig geformten elektromagnetischen Feld ausgleicht. Das gelang in Jülich. Beide Korrekturelemente sind in „Pico“ eingebaut. Den Spitznamen verdankt das Mikroskop seiner enormen Auflösung von nur 50 Pikometern. Die Position von Atomen in einem Material kann es sogar mit einer Genauigkeit von einem Pikometer bestimmen. Dazu ist das Mikroskop auch im oberen Stockwerk mit großem Aufwand geschützt. Es steht in einem großen Kubus, hinter einer schweren Türe und wird im Betrieb von einem Kontrollraum aus gesteuert. 

Mit dem Rastersondenmikroskop lassen sich chemische Reaktionen auslösen und die Produkte untersuchen. Oben Strukturmodelle, unten Messungen mit dem Rasterkraftmikroskop. Die Farben entsprechen Kraftgradienten über dem Molekül.
Mit dem Rastersondenmikroskop lassen sich chemische Reaktionen auslösen und die Produkte untersuchen. Oben Strukturmodelle, unten Messungen mit dem Rasterkraftmikroskop. Die Farben entsprechen Kraftgradienten über dem Molekül. Bild: IBM Research


Mit Pico sind schon verschiedene, meist kristalline Materialien untersucht worden, zum Beispiel solche, die in effizientere Lithiumionen-Akkus eingesetzt werden könnten. Ein weiteres Beispiel ist das berühmte Graphen, das nur aus einer Lage aufeinanderfolgender Sechsecke aus Kohlenstoffatomen besteht. Der Jülicher Forscher kennt natürlich auch die eingangs erwähnte Rekordarbeit des Teams von der Cornell University. Ihr Verfahren nennt sich Ptychographie und erreicht eine Auflösung, welche Picos 50 Pikometer noch überbietet. Allerdings liegt das nicht am verwendeten Mikroskop. Der Hinweis steckt schon im Namen des Verfahrens. „Ptychos“ ist der Genitiv des griechischen Wortes „ptyx“ für „Schicht“, und tatsächlich handelt es sich um eine schichtweise Nachbearbeitung der Aufnahmen, in die zudem anderweitig gewonnene Daten hineingesteckt werden müssen. Joachim Mayer vom ER-C lobt die wissenschaftliche Leistung seiner Fachkollegen aus Cornell, weist aber auch auf die Nachteile hin. Dazu zählt die enorme Rechenleistung: Ungefähr 24 Stunden muss ein Großcomputer für ein Bild dieser Auflösung rechnen. Zudem funktioniere diese Technik nicht universell bei allen Materialien. 

Eine Lage Graphen mit Löchern. Diese entstehen, weil dort Palladiumatome (hellere Punkte) als Katalysatoren die Kohlenstoff-Bindungen auflösen und so die Löcher ins Graphen hineinfressen.
Eine Lage Graphen mit Löchern. Diese entstehen, weil dort Palladiumatome (hellere Punkte) als Katalysatoren die Kohlenstoff-Bindungen auflösen und so die Löcher ins Graphen hineinfressen.
Eine Lage Graphen mit Löchern. Diese entstehen, weil dort Palladiumatome (hellere Punkte) als Katalysatoren die Kohlenstoff-Bindungen auflösen und so die Löcher ins Graphen hineinfressen.
Im Zoom erkennt man die Kohlenstoff-Sechsecke, aus denen Graphen besteht. Jedes ist etwa 0,24 Nanometer groß.
Im Zoom erkennt man die Kohlenstoff-Sechsecke, aus denen Graphen besteht. Jedes ist etwa 0,24 Nanometer groß.
Im Zoom erkennt man die Kohlenstoff-Sechsecke, aus denen Graphen besteht. Jedes ist etwa 0,24 Nanometer groß.
Bilder: Lothar Houben, ehem. ER-C, FZ Jülich


Und wie sieht der Jülicher Materialforscher die Atome in seinen Proben? Eher wie harte Kugeln, macht das Gespräch mit ihm deutlich. Als „fluffige Wattebäusche“ hingegen nimmt Christian Ast die Atome wahr, die er untersucht. Das liegt an der völlig anderen Art von „Mikroskop“, die Ast und sein Team am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart einsetzen: das Rastertunnelmikroskop. Die Methode erinnere an einen Plattenspieler, der mit einer Nadel die Rille auf der Schallplatte abtastet und die mechanischen Schwingungen in Musik umwandelt, sagt Ast. 1981 erfanden der in Frankfurt am Main geborene Physiker Gerd Binnig und sein Schweizer Kollege Heinrich Rohrer das Rastertunnelmikroskop am IBM-Labor in Rüschlikon bei Zürich. 1986 teilten sie sich neben Ruska die andere Hälfte des Physik-Nobelpreises.

Ast führt durch das „Präzisionslabor“, einen futuristisch anmutenden Bau auf dem Campus der Stuttgarter Max-Planck-Institute. Hier befinden sich gewissermaßen die extremsten „Plattenspieler“ der Welt. Ähnlich aufwendig wie Pico in Jülich von der störenden Umwelt isoliert, stehen sie in großen Kuben in einer geräumigen Halle. Mit äußerst feinen Nadeln tasten sie atomare „Rillen“ auf Probenoberflächen ab, und aus diesen Daten entstehen Bilder. Wie bei Pico befinden sich diese Proben im Ultrahochvakuum und sind zudem auf extrem tiefe Temperaturen abgekühlt, um die Wärmewackelei der Atome weitgehend einzufrieren. Nur so sind atomscharfe Bilder zu bekommen. 

Ein Pentacen-Molekül. Oben das Strukturmodell, unten die Aufnahme eines Rasterkraftmikroskops.
Ein Pentacen-Molekül. Oben das Strukturmodell, unten die Aufnahme eines Rasterkraftmikroskops. Bild: L. Gross IBM Research


Christian Ast spricht auch nicht vom „Sehen“, wenn er das Prinzip eines Rastertunnelmikroskops erklärt, sondern vom „Fühlen“, wie „wenn man mit dem Finger über eine Oberfläche streicht“. Auch als Laie versteht man intuitiv, dass die „Fingerkuppe“ umso spitzer sein muss, je feiner die zu ertastenden Strukturen sein sollen. Tatsächlich sitzt auf der Spitze der Nadeln in den Rastertunnelgeräten in Stuttgart, die zum Beispiel aus Wolfram sind, ein einzelnes Atom. Das lässt staunen, aber Ast meint dazu nur: „So eine Spitze ist gar nicht so schwer herzustellen, denn in der Regel ist immer ein Atom das letzte an der Spitze.“ Sein Team benutze dazu einfach eine Zange. Allerdings berührt diese Nadel nicht direkt die Atome einer Oberfläche. Die Methode nutzt aus, dass Elektronen als quantenmechanische Objekte aus der Probenfläche heraus durch das Vakuum „tunneln“ können. Die Nadel wird nun so feinfühlig über die Atome gesteuert, dass dieser Tunnelstrom immer konstant bleibt. Entsprechend bewegt sie sich auf und ab und folgt so der atomaren Topographie der Oberfläche. Daraus lässt sich Zeile für Zeile ein Bild errechnen.

In der Halle des Präzisionslabors öffnet Christian Ast eine schwere Tresortür und führt in einen abgeschirmten Raum, in dem sich das empfindlichste Rastertunnelmikroskop der Welt befindet. Das Gerät steht wie in Jülich auf einem 100-Tonnen-Fundament mit Luftdämpfern. Wie „Pico“ wird es bei Betrieb hinter geschlossener Tür von außen ferngesteuert. Es füllt ebenfalls zwei übereinanderliegende Räume. Oben ist am Boden der eisüberkrustete Kopf des Instruments samt Anschlüssen zur Kühlung und Steuerung zu sehen, unten hängt der mannsgroße, dicke Metallzylinder des Kryostaten aus der Decke, umgeben von Technik. „Das eigentliche Rastertunnelmikroskop steckt gut abgeschirmt da drin und ist ungefähr so groß wie meine Faust“, erklärt Christian Ast. So ein Kryostat ist im Prinzip eine Hightech-Thermoskanne mit einem zwiebelschalenförmigen Innenleben: Die erste Zwiebelschale hält ein Vakuum, dann folgt flüssiger Stickstoff auf -196 C, dann wieder Vakuum, dann flüssiges Helium mit -269 C, und so geht es weiter bis zu einem sogenannten Helium-3-Helium-4-Mischkühler. Dieser bringt es auf extrem tiefe Temperaturen, hier nur noch wenige Tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. 

Pentacen unter einem Rastertunnelmikroskop (oben), das hier erstmals die Elektronenorbitale sichtbar machen konnte. Links ist die äußerste Elektronenhülle des Moleküls mit energetisch angeregten Elektronen besetzt, links ist dieses sogenannte Grenzorbital unbesetzt. Darunter zum Vergleich die theoretisch berechneten Ladungsdichten.
Pentacen unter einem Rastertunnelmikroskop (oben), das hier erstmals die Elektronenorbitale sichtbar machen konnte. Links ist die äußerste Elektronenhülle des Moleküls mit energetisch angeregten Elektronen besetzt, links ist dieses sogenannte Grenzorbital unbesetzt. Darunter zum Vergleich die theoretisch berechneten Ladungsdichten. Bild: J. Repp et al. PRL 94, 026803 (2005)


Das Stuttgarter Gerät dient eigentlich auch nicht dem Abbilden von Atomen, sondern der Erforschung von Quanteneffekten wie der Supraleitung. Bei Jascha Repp an der Universität Regensburg hingegen geht es tatsächlich um „Porträts“, allerdings nicht einzelner Atome, sondern von Molekülen. Genauer gesagt sind es ihre äußeren Elektronenhüllen. In der Chemie und Physik spricht man von „Elektronenorbitalen“, was historisch auf das Bild eines Mini-Planetensystems zurückgeht. Tatsächlich sehen diese Orbitale jedoch überhaupt nicht aus wie Planetenbahnen, denn hier regiert die Quantenphysik, die derlei scharfe Lokalisierungen sowieso unmöglich macht. Repps symmetrische Untersuchungsobjekte erinnern denn auch eher an Trilobiten oder Weihnachtssterne. „Eine irgendwie unwirkliche Natur“ bescheinigte 1977 der spätere Chemie-Nobelpreisträger Kenichi Fukui, der sich lange mit ihnen beschäftigt hat, dem Konzept der Molekülorbitale. 

Ursprünglich schien es unmöglich, echte Bilder von der molekularen Elektronenhülle mit einem Rastertunnelmikroskop aufzunehmen. Damit ein Tunnelstrom fließen kann, muss die Probe nämlich elektrisch leitend sein. Sobald man aber ein Molekül auf eine elektrisch leitende Oberfläche bringt, verformt diese die äußeren Elektronenorbitale bis zur Unkenntlichkeit. Auf die Lösung kam vor gut 15 Jahren ein von Gerhard Meyer geleitetes Team am IBM-Labor in Rüschlikon, dem Jascha Repp als Nachwuchswissenschaftler angehörte. 

Dockt an ein Pentacenmolekül ein Goldatom an (orange im Strukturbild rechts), dann verändert sich die Struktur des Grenzorbitals stark, wie diese Aufnahme mit dem Rastertunnelmikroskop zeigt.
Dockt an ein Pentacenmolekül ein Goldatom an (orange im Strukturbild rechts), dann verändert sich die Struktur des Grenzorbitals stark, wie diese Aufnahme mit dem Rastertunnelmikroskop zeigt. Bild: J. Repp et al., Science 312, 1196 (2006)


Die Forscher dampften auf die elektrisch leitende Probenoberfläche eine Isolatorschicht auf. Diese musste allerdings extrem dünn sein, um den Tunnelstrom nicht völlig abzuschirmen. Im Jahr 2004 gelangen so die ersten Porträts der trilobitenartigen äußeren Elektronenorbitale des Pentacens, heute ist das Molekül gewissermaßen die Laborratte dieses Forschungsgebiets. Und es zeigte sich: Diese Bilder glichen verblüffend gut den theoretischen Vorhersagen. Fukuis „unwirkliche“ Orbitale sind Realität.

Seitdem hat sich das Gebiet enorm weiterentwickelt. Leo Gross, der ebenfalls in Rüschlikon forscht und auch mit Repp zusammenarbeitet, bezeichnet sich selbst als „Atomschubser“. Er baut mit einem sogenannten Rasterkraftmikroskop chemische Reaktionen auf den Probenoberflächen nach – sogar solche, die in einem Reagenzglas unmöglich wären. Auch ein Rasterkraftmikroskop nutzt eine extrem feine Spitze, auf der zum Beispiel ein Kohlenmonoxid-Molekül als „Sensor“ sitzt. Damit reagiert es beim Abtasten der Probe auf eine spezielle Quantenkraft, die „Pauli-Abstoßung“. Diese sorgt dafür, dass die Spitze nicht auf die äußere Elektronenhülle eines Moleküls reagiert, sondern auf die Dichte aller Elektronen zusammengenommen. „Das ergibt ganz andere Bilder“, sagt Gross. Pentacen sieht darin eher wie die Molekülmodelle aus Kugeln und Stäbchen aus, die man aus der Schule kennt.

Pentacen – Die Laborratte der Atom-Mikroskopie

Model der Spitze des Rasterkraftmikroskopes (oben) und Modell von Pentacen (unten). ZurVerbesserung der Auflösungw urde ein Kohlenmonoxid Molekül (C: grau, O: rot) mit der Spitze aufgelesen. In der Mitte, farbig die Messung mit dem Rasterkraftmikroskop.
Model der Spitze des Rasterkraftmikroskopes (oben) und Modell von Pentacen (unten). ZurVerbesserung der Auflösungw urde ein Kohlenmonoxid Molekül (C: grau, O: rot) mit der Spitze aufgelesen. In der Mitte, farbig die Messung mit dem Rasterkraftmikroskop. Bild: IBM Research
Penta ist das griechische Zahlwort für „Fünf“. Die organische Verbindung Pentacen heißt so, weil ihr Molekül aus fünf sechseckigen Ringen mit insgesamt 22 Kohlenstoffatomen besteht. Hinzu kommen 14 Wasserstoffatome. Pentacen ist ein beliebtes Testmolekül der atomaren Mikroskopie. Die oben gezeigten Aufnahmen wurden 2004 mit einem Rastertunnelmikroskop am IBM-Labor in Rüschlikon aufgenommen. Sie machten erstmals die äußerste Elektronenhülle von Pentacen sichtbar. Dieses sogenannte Grenzorbital sieht zudem „unter der Nadel“ sehr unterschiedlich aus – je nachdem, ob es mit Elektronen besetzt oder unbesetzt ist. Die Aufnahmen ähneln den theoretisch errechneten Orbitalbildern so verblüffend, dass sie seinerzeit als eine wissenschaftliche Sensation gefeiert wurden. Ganz anders mutet die ganz oben gezeigte Aufnahme von Pentacen aus dem Rasterkraftmikroskop an, die ebenfalls aus dem Schweizer Labor stammt. Dessen Sonde reagiert auf die höchste Dichte an Elektronen, und diese befinden sich vor allem in den chemischen Bindungen zwischen den Atomen. So wird die Struktur der Sechserringe sichtbar. Deshalb erinnern diese Bilder an die Kugel-Stäbchen-Molekülmodelle aus dem Schulunterricht, welche sich an der Struktur der chemischen Bindungen orientieren.

Allerdings können solche Bilder auch täuschen, gibt Jascha Repp zu Bedenken und erzählt eine Anekdote von einer zunächst gefeierten wissenschaftlichen Publikation, die einer solchen Täuschung aufgesessen war. Das betroffene Team hatte mit einem Rasterkraftmikroskop und dem Kohlenmonoxid-Molekül an dessen Spitze vermeintlich Wasserstoffbrücken-Bindungen abgebildet, solche Bindungen spielen eine wichtige Rolle in der Chemie und Biologie. In diesem Fall jedoch war das Bild ein Artefakt, das durch eine Bewegung des Kohlenmonoxid-Moleküls verursacht wurde. Dieser Fehler wurde später entdeckt. Man muss also schon sorgfältig hinschauen, wenn man sich von Atomen ein Bild machen will.


MENDELEJEW Ein Darwin der Chemie
PERIODENSYSTEM Die Ordnung der Stoffe
LINDAU 2017 Philosophie der Chemie

Quelle: F.A.S

Veröffentlicht: 10.11.2021 14:21 Uhr