15.02.2019 • Atome und Moleküle

Wenn Elektronen es sich gemütlich machen

Neu entwickelte Mikroskopiemethode bildet Orbitale einzelner Moleküle in verschiedenen Ladungszuständen ab.

Atome und Moleküle sind die Grundbausteine der Materie. Die Eigenschaften der Materie sind oftmals jedoch nicht durch diese Bausteine selbst gegeben, sondern vielmehr durch deren Wechselwirkungen untereinander, welche durch ihre äußeren Elektronenhüllen bestimmt sind. Viele chemische Prozesse basieren auf dem Elektronentransfer, dem Austausch von Elektronen zwischen Atomen und Molekülen. Eine direkte Abbildung der elementaren Bausteine und ihrer Wechselwirkung schien lange unmöglich. Doch die Abbildung einzelner Atome wurde vor mehreren Jahrzehnten dank der Erfindung raffinierter Mikroskopieverfahren möglich. Diese basieren nicht auf Optik, stattdessen wird das Objekt mit einer atomar feinen Sensorspitze abgetastet.

Abb.: Änderung der Elektronenwolke eines einzelnen Moleküls durch Ladung.... — Abb.: Änderung der Elektronenwolke eines einzelnen Moleküls durch Ladung. (Bild: L. Patera & J. Repp, U. Regensburg)

Eines dieser Verfahren ist die Rastertunnelmikroskopie, bei welcher durch Strommessung die Elektronenhülle von Materie abgebildet werden kann. Mit dieser Art von Mikroskopie ist es möglich, die Elektronenwolken von Atomen und Molekülen zu untersuchen. Ein weiteres Verfahren ist die Rasterkraftmikroskopie, welche auf interatomaren Kräften basiert und in der Lage ist, einzelne Bindungen zwischen benachbarten Atomen abzubilden. Seit etwa zehn Jahren erhält man so faszinierende Bilder der chemischen Struktur einzelner Moleküle.

Die charakteristischen Eigenschaften der Elektronenorbitale sind entscheidend für praktisch alle chemischen Reaktionen, aber umgekehrt führen chemische Reaktionen auch zu dramatischen Veränderungen der Form der Orbitale. Bislang konnte diese Rückwirkung auf die Elektronenhülle – wenn Atome und Moleküle Ladungen mit ihren Nachbarn austauschen – nicht sichtbar gemacht werden. Da Rastertunnelmikroskopie auf der Messung von Strömen basiert, benötigt sie eine leitende Unterlage. Diese lässt allerdings nur einen einzelnen stabilen Ladungszustand für ein Molekül zu. Zusätzliche Ladung würde sofort in die darunterliegende leitende Unterlage abfließen, was die mikroskopische Beobachtung des Effekts des Elektronentransfers auf die Molekülorbitale verhindert. Man muss also Moleküle auf einer elektrisch isolierenden Unterlage untersuchen, wenn man unterschiedliche Ladungszustände studieren möchte. Dies ist prinzipiell mit der Rasterkraftmikroskopie möglich, allerdings kann dieser Typ von Mikroskopie nicht zur Messung der äußeren Elektronenhülle verwendet werden.

An der Uni Regensburg konnte nun erstmals die Rückwirkung des Elektronentransfers auf die Elektronenorbitale in Bildern festgehalten werden. Dieser Durchbruch ist einem Team internationaler Wissenschaftler um Jascha Repp gelungen. Die Forscher kombinierten Prinzipien der Rastertunnel- und der Rasterkraftmikroskopie und entwickelten damit eine neuartige Variante. Anstelle des üblichen Gleichstroms bei der konventionellen Rastertunnelmikroskopie schicken sie in ihrem Versuchsaufbau einen extrem schwachen Wechselstrom zwischen der atomar fein leitenden Spitze und dem zu untersuchenden Molekül. Der Wechselstrom besteht aus nur einem einzigen Elektron, das dazu gebracht wird, zwischen der Sensorspitze und dem Molekül hin- und herzuspringen. Auf diese Weise fließt keinerlei gerichteter Strom im Mikroskop, das daher auch keine leitende Unterlage für das Molekül benötigt. Das wiederum erlaubt es den Forschern, das Molekül in jeden gewünschten Ladungszustand zu versetzen. Es ist also möglich, das Molekül dazu zu bringen, entweder Elektronen abzugeben oder aufzunehmen – so wie bei einer chemischen Reaktion. Dabei konnten Sie beobachten, dass ein zusätzliches Elektron seine Verteilung im Molekül ändert, während es sich im Molekül ausbreitet – das Elektron macht es sich gewissermaßen auf dem Molekül gemütlich.

Mit dieser neuen Methode gelang es den Wissenschaftlern so zum ersten Mal, unmittelbare Abbildungen der Veränderungen der Elektronenhülle, welche bei der Aufladung von Molekülen auftreten, zu erhalten – und das auf der Einzelmolekülebene. Diese neuartigen mikroskopischen Einblicke in die atomaren Details des Elektronentransfers auf der Einzelorbitalebene werfen ein völlig neues Licht auf unser Verständnis von Abläufen im Bereich wichtiger chemischer Reaktionen wie Photosynthese, Verbrennung und Korrosion.

U. Regensburg / RK