IBM: Fünf Ringe im Nanomassstab – Molekülstruktur sichtbar gemacht

(Bild:  IBM Research – Zurich, University of Warwick, Royal Society of Chemistry)

Rüschlikon – Wissenschaftler der Royal Society of Chemistry (RSC), der Universität von Warwick und von IBM Research in Rüschlikon haben mithilfe eines Rasterkraftmikroskops die chemische Struktur eines künstlich synsthetisierten Moleküls in Form von fünf Ringen und mit einer Grösse von nur 1,2 Nanometern in bisher unerreichter Auflösung abgebildet und so direkt nachgewiesen.

Den Anfang nahm das Olympicene genannte Molekül als Zeichnung eines Wissenschaftlers der RSC, bevor es synthetisch hergestellt und mittels der Rasterkraftmikroskopie nun direkt abgebildet wurde. Das Molekül bestehend aus 19 Kohlenstoff- und 12 Wasserstoffatomen, angeordnet in fünf hexagonalen Ringen, misst gerade einmal 1,2 Nanometer (Millionstel Millimeter). Dies entspricht einem menschlichen Haar, dass der Länge nach 100000-mal gespalten wurde.  „Neben der wissenschaftlichen Herausforderung, Olympicene zu kreiieren, gibt es sehr gute Gründe, diese Art von Molekülen genauer zu untersuchen“, erklärt Dr. David Fox von der chemischen Fakultät der Universität von Warwick. Denn: Olympicene ist mit Grafen verwandt und gehört zu einer Gruppe von Verbindungen mit interessanten elektronischen und optischen Eigenschaften, die Potenzial für Anwendungen in zukünftigen Solarzellen oder High-tech-LEDs aufweist.

Durchbruch
Die eindrückliche Forschungsarbeit veranschaulicht die Fortschritte, die in der Rasterkraftmikroskopie gemacht wurden. 2009 haben die IBM Forscher um Gerhard Meyer erstmals die chemische Struktur eines Moleküls – in diesem Fall Pentazen – mittels Rasterkraftmikroskopie auflösen können. Die direkte Abbildung der Molekülstruktur stellt einen Durchbruch dar, da sich mittels verschiedener chemischer Verfahren zwar die Elemente und Atomanzahl eines Moleküls benennen lassen, aber ihre Anordnung nicht immer mit Sicherheit bestimmt werden kann.

„Dieses Experiment zeigt, dass die Rasterkraftmikroskopie, dank ihrer erfolgreichen Weiterentwicklung in den letzten Jahren, einen wichtigen Beitrag bei der Identifikation von Molekülen leisten kann, bei denen die heute gebräuchlichen Nachweismethoden an ihre Grenzen stossen“, sagt Dr. Leo Gross, Forscher bei IBM Research – Zürich, der die Mikroskopaufnahmen durchführte.

Rasterkraftmikroskopie: Moleküle atomar auflösen
Das Rasterkraftmikroskop (AFM) verwendet eine atomar scharfe Metallspitze, die an einer kleinen Feder angebracht ist, um die winzigen Kräfte zu messen, die auftreten, wenn diese Spitze sehr nah an eine Probe, wie etwa ein Molekül, herangeführt wird. Aus der ortsaufgelösten Messung dieser Kräfte kann ein Abbild der Oberfläche erstellt werden. Damit die chemische Struktur eines Moleküls sichtbar wird, ist es notwendig, die Spitze äusserst nah – weniger als einen Nanometer – an das Molekül heranzuführen. Nur in diesem Bereich treten Kräfte auf, die massgeblich durch chemische Wechselwirkungen bestimmt werden. Um dies zu erreichen, präparierten die IBM Forscher die AFM-Spitze gezielt mit einem Kohlenstoffmonoxid (CO) Molekül, was deren Empfindlichkeit entscheidend verbesserte und die einzelnen Atome und Bindungen im Molekül sichtbar machte. (IBM Research – Zürich/mc/ps)

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