Unter dem Mikroskop werden sowohl Atome eines Kohlenstoffmoleküls als auch die in Sechsecken angeordneten Bindungen mit variabler Elektronendichte mit bisher unerreichter Genauigkeit sichtbar.

Chemische Bindungen sichtbar gemacht

Zürich (Schweiz) – Auf wenige milliardstel Millimeter genau konnte ein Forscherteam die chemischen Bindungen in Kohlenstoffmolekülen messen und zugleich sichtbar machen. Möglich wurde diese bisher präziseste Analyse der für die Bindungen verantwortlichen Elektronen mit einem speziellen Atomkraftmikroskop. Wie die Physiker in der Zeitschrift „Science“ berichteten, steht damit ein neues Werkzeug zur Entwicklung von besseren Solarzellen und elektronischen Bauteilen auf Kohlenstoffbasis zur Verfügung.

„Nun können wir unterschiedliche physikalische Eigenschaften der verschiedenen Bindungen erkennen“, sagt Leo Gross vom IBM-Forschungszentrum in Rüschlikon bei Zürich. Als erstes Molekül für diese extrem genauen Messungen wählte er zusammen mit seinen Kollegen ein Fullerenmolekül, in dem sich sechzig Kohlenstoffatome zu einem winzigen Ball anordnen. Dieses Molekül tasteten die Forscher mit einem Atomkraftmikroskop ab, an dessen Spitze sich lediglich ein einziges Kohlenmonoxidmolekül (CO) befand.

Kohlenstoffmolekül unter dem Mikroskop
Kohlenstoffmolekül unter dem Mikroskop

Bei der Messung dient das CO-Molekül gewissermaßen als Vergrößerungsglas, das die Auflösung des Mikroskops erhöht und so die atomaren Strukturen des untersuchten Moleküls sichtbar macht. Die Elektronen des C60-Fullerens veränderten – ohne direkten Kontakt – die elektronischen Eigenschaften in der CO-Spitze. Aus diesen Daten konnten die Wissenschaftler um Gross sowohl auf die Elektronendichte zwischen den Kohlenstoffatomen als auch auf die Länge der Bindungen zurückschließen. Zudem waren sie in der Lage, detailreiche Bilder des C60-Moleküls und seiner Elektronenverteilung zu erstellen. Ebenso präzise zeigten sich auch Messungen an weiteren, flach strukturierten Kohlenstoffverbindungen. In weiteren Versuchen wollen die Forscher unter anderem die elektronischen Bindungen von Graphen – einem hauchdünnen Material aus Kohlenstoff – genauer unter die Lupe nehmen. Die Ergebnisse könnten den Bau elektronischer Schaltkreise auf Graphenbasis erleichtern.

Der nun gelungene scharfe Blick auf Moleküle und ihre Bindungen ist nicht der erste Erfolg, der mit diesen verbesserten Rasterkraftmikroskopen gelang. Schon vor drei Jahren hatte dieselbe 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 Gerhard Meyer von IBM damals.

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 müssen sich für diese Schaltprozesse derzeit noch Abertausende von Elektronen bewegen.