Mikroskop macht Atomstruktur von Molekülen sichtbar

Rastertunnelmikroskop mit Zusatz an der Tastspitze macht molekulare Innenstruktur dank Pauli-Abstoßung sichtbar

Elektronenmikroskop zeigt Molekülstruktur
Elektronenmikroskop zeigt Molekülstruktur

Jülich - Ganz nah die äußere Form von Atomen und Molekülen betrachten, das können Forscher schon seit vielen Jahren - dank Rastertunnelmikroskop, das Schritt für Schritt die Oberfläche abtastet. Doch Jülicher Forschern gelang es, damit auch die innere Struktur von Molekülen sichtbar zu machen. Statt eines unscharfen Blobs lassen ihre neuen Bilder nun klare Formen der Atomstruktur innerhalb organischer Moleküle erkennen. Wie und warum diese Methode funktioniert, erläutert das Team im Fachblatt "Physical Review Letters". Mit einem kleinen Zusatz lassen sich demnach auch handelsübliche Rastertunnelmikroskope auf den Innenblick umfunktionieren. Auf diese Weise sollen sich künftig Proteine, aber auch organische Halbleitermoleküle schneller und genauer untersuchen lassen.

"Um die Sensitivität für organische Moleküle zu steigern, haben wir einen Sensor und Signalwandler an die Spitze gesetzt", so Ruslan Temirov vom Institut für Bio- und Nanosysteme (IBN) des Forschungszentrums Jülich. Während die herkömmliche extrem feine Metallspitze eines Rastertunnelmikroskops die untersuchte Oberfläche abtastet wie eine Plattenspielernadel - und das Auf und Ab von nur einzelnen Nanometern anhand kleinster elektrischer Ströme wahrnimmt -, baute Temirovs Team an diese Spitze noch an. Die Forscher hängten ein Molekül aus zwei Deuterium-Atomen beweglich daran auf. Deuterium ist eine Variante des Wasserstoffs, auch schwerer Wasserstoff genannt. Das locker hängende Deuterium-Molekül kann den Konturen der Oberfläche besser folgen als die feste Spitze und beeinflusst obendrein die fließenden Ströme.

Besonders gut sichtbar wurde der Erfolg für das Team am Molekül der Verbindung Perylentetracarbonsäuredianhydrid (PTCDA), deren Grundlage 26 Kohlenstoffatome bilden. Gemeinsam mit acht Wasserstoff- und sechs Sauerstoffatomen formen sie sieben flache, zusammenhängende Ringe von rund einem Nanometer (milliardstel Millimeter) Größe. Temirov und Kollegen hingegen machten mit ihrer neuen Methode die wabenartige Innenstruktur des Moleküls sichtbar. Während das Team die ersten Bilder des Verfahrens bereits vor knapp zwei Jahren präsentieren konnte, lieferte es jetzt das quantenmechanische Wirkprinzip dahinter nach. Grundlage der neuen Messmethode ist demnach die so genannte kurzreichweitige Pauli-Abstoßung zwischen dem Deuterium an der Mikroskopspitze und dem zu untersuchenden Molekül. Diese quantenphysikalische Kraft beeinflusst und moduliert die Leitfähigkeit der Spitze und erlaubt es, die feinen Strukturen mit hoher Empfindlichkeit zu messen. Das Institut hat ein Patent auf die Methode angemeldet, die sich mit kommerziellen Rasterkraftmikroskopen kombinieren lässt. Direktor Stefan Tautz erklärt: "Die bestechende Einfachheit der Methode macht sie für zukünftige Forschung so wertvoll",

"Die räumlichen Dimensionen im Innern von Molekülen lassen sich jetzt schon in wenigen Minuten bestimmen", so Tautz, "und die vorherige Präparation der Proben beruht weitgehend auf Standardverfahren." Nach der Klärung des Wirkprinzips wollen die Forscher nun die gemessenen Stromstärken zu kalibrieren versuchen. Damit könnte man allein aus den gemessenen Stromstärken direkt auf die Art der Atome schließen. Weitere Verfeinerungen könnten auch ermöglichen, große, nicht flache Biomoleküle wie etwa Proteine zu vermessen. Doch auch nach dem bisherigen Stand dürfte die neue Methode schnell Verwendung finden. So hilft sie beispielsweise, die Ladungsverteilung und innere Struktur flacher Moleküle zu vermessen - etwa, wenn sie als organische Halbleiter oder als Teil schneller und effizienter elektronischer Bauelementen zum Einsatz kommen sollen.