Atom für Atom: Chemische Struktur von Molekülen sichtbar

Neues Mikroskop macht erstmals einzelne Atome in einem Molekül sichtbar – Analyse der Bindungsenergien ebnet Weg zu neuen Schaltkreisen

Mikroskopspitze
Mikroskopspitze

Rüschlikon (Schweiz) - Niemand kann derzeit Moleküle genauer betrachten als Leo Gross. Der Physiker schärfte zusammen mit seinen Kollegen am schweizerischen IBM-Forschungslabor in Rüschlikon den Blick von Rasterkraftmikroskopen, so dass sie alle Atome eines komplexen Moleküls einzeln betrachten konnten. Die Rekordauflösung von gut einem Zehntel Millionstel Millimeter (0,14 Nanometer) erreichten die Forscher mit einer extrem feinen Spitze aus einem Kohlenmonoxid-Molekül. Die ersten Bilder ihres Mikroskops veröffentlichten sie nun in der Fachzeitschrift "Science".

"Einzelne Atome in einem absorbierten Molekül aufzulösen, blieb bisher eine große Herausforderung", berichtet das Forscherteam. Doch genau dieses Kunststück lang ihnen mit einem aufwendigen Aufbau in einem Kellerraum des Forschungszentrums. Gut abgeschirmt von äußeren Störeffekten deponierten sie ein Pentazen-Molekül, das aus fünf Kohlenstoffringen aufgebaut ist, auf einer hochreinen Oberfläche. Mit insgesamt 22 Kohlenstoff- und 14 Wasserstoffatomen hat es gerade mal eine Länge von 1,4 Nanometern. Tiefgekühlt auf minus 268 Grad Celsius führten die Forscher nun 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.

"Wer elektronische Prozesse auf molekularer Ebene besser versteht, kann elektronische Schaltkreise jenseits der heute etablierten CMOS-Technologie entwickeln", sagt Leo Gross. Und das Rasterkraftmikroskop mit dem geschärften Molekülblick kann genau diese Prozesse nun genauer untersuchen helfen. Doch nicht nur Chipentwickler, auch Chemiker werden das neue Instrument zu schätzen wissen, da es die chemischen Bindungen zwischen Molekülen genau offenbart und so zur Entwicklung von neuen, ergiebigeren Syntheseprozessen führen könnte.

Diese atomscharfe Blick auf Moleküle ist nicht der erste Erfolg, der mit diesen verbesserten Rasterkraftmikroskopen gelang. Schon vor einigen Wochen hatte die gleiche Forschergruppe ein Analyseverfahren präsentiert, mit dem sich gezielt die elektrische Ladung einzelner Atome auf einer isolierenden Oberfläche mit hoher Genauigkeit messen ließ. "Ein Rasterkraftmikroskop mit einer Ein-Elektron-Empfindlichkeit ist ein nützliches Werkzeug, um den Ladungstransfer in Molekülkomplexen zu untersuchen", sagte IBM-Forscher Gerhard Meyer. Dieses Verfahren zur atomgenauen Ladungsmessung kann viele neue Erkenntnisse über Werkstoffe und atomare Prozesse liefern. So sind Nanoschaltkreise vorstellbar, in denen nur noch ein einziges Elektron zwischen den digitalen Basiswerten "0" und "1" unterscheidet. In den besten Siliziumprozessoren heute müssen sich für diese Schaltprozesse noch Abertausende von Elektronen bewegen. "Ladungszustände und Ladungsverteilung sind auch wichtig in der Katalyse und bei der Photokonversion", sagt Gross.