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Besonders hochauflösende Aufnahmen könnten der Entwicklung leistungsfähigerer Katalysatoren nutzen
Einzelne Eisenatome sind nur einen Bruchteil eines milliardstel Meters groß. Mit modernen Mikroskopen lassen sie sich in hoher Auflösung sichtbar machen. Einer deutschen Forschergruppe gelang es nun sogar, die Struktur von winzigen Clustern aus nur wenigen Eisenatomen genau zu analysieren. Wie sie in einer Vorabveröffentlichung der Zeitschrift „Science“ berichten, könnten diese Beobachtungen für die Entwicklung effizienterer Katalysatoren genutzt werden.
„Wir wissen jetzt, dass Cluster aus drei Eisenatomen in drei verschiedenen Strukturen auf Kupferoberflächen vorliegen“, sagt Franz Giessibl von der Universität Regensburg. Zusammen mit Kollegen der Ludwig-Maximilians-Universität München tastete er eine extrem glatte Fläche aus Kupfer ab, auf der zuvor einige Eisenatome deponiert worden waren. Die Spitze des Rasterkraftmikroskops bestand dabei aus einem einzigen Kohlenmonoxid-Molekül. Abhängig von der Struktur der Probe wirkten unterschiedlich starke atomare Kräfte auf die Mikroskopspitze. Aus der Messung dieser Kräfte ließ sich auf den Aufbau der Probe mit subatomarer Auflösung schließen.
Die kleinen Cluster aus drei Eisenatomen, Trimere genannt, dockten bevorzugt auf der Oberseite eines Kupferatoms an. Mit der Spitze des Mikroskops konnten diese Trimere sogar zwischen zwei verschiedenen Orientierungen gedreht werden. Größere Eisencluster dagegen schmiegten sich flach an die Kupferfläche an.
Einen direkten Nutzen haben diese extrem genauen Beobachtungen noch nicht. „Wir wissen heute noch nicht, welche Auswirkungen dies in Wissenschaft und Technik haben wird“, sagt Giessibl. Doch die Effizienz von Katalysatoren, die sowohl in der chemischen Industrie als auch bei der Abgasbehandlung von Autos eine große Rolle spielen, wird stark von der Struktur ihrer Oberfläche bestimmt. So könnten diese Analysen zu Katalysatoren mit einer bis auf die atomare Skala optimierten Oberflächenstruktur führen. Rasterkraftmikroskope könnten dazu nicht nur hochaufgelöste Bilder liefern, sondern auch zum Anordnen einzelner Atome oder Cluster genutzt werden.
Dieses Einsatzfeld von Rasterkraftmikroskopen basiert auf einem Ergebnis von deutschen und schweizerischen Physikern am IBM-Forschungslabor in Rüschlikon. Bereits 2009 zeigten sie, dass eine Mikroskopspitze aus einem Kohlenmonoxid-Molekül das Auflösungsvermögen deutlich steigern konnte. Gut abgeschirmt von äußeren Störeffekten deponierten sie damals ein Pentazen-Molekül, das aus fünf Kohlenstoffringen aufgebaut ist, auf einer hochreinen Oberfläche. Mit insgesamt 22 Kohlenstoff- und 14 Wasserstoffatomen hatte es gerade mal eine Länge von 1,4 Nanometern. Tiefgekühlt auf minus 268 Grad Celsius führten die Forscher damals die Kohlenmonoxid-Spitze des Mikroskops extrem nah an dieses Molekül heran. Ohne es jedoch zu berühren, wirkten zwischen Spitze und den Atomen des Moleküls winzige Kräfte von einigen Piconewton. Aus diesen Kräften konnten die Wissenschaftler auf die Position der einzelnen Atome und zugleich auf die chemische Struktur des gesamten Moleküls zurückschließen.
