Scharfer Blick auf winzige Eisencluster

Einzelne Eisenatome sind nur einen Bruchteil eines milliardstel Meters groß. Mit modernen Mikroskopen lassen sie sich dennoch in hoher Auflösung sichtbar machen. Einer Forschergruppe um Matthias Emmerich von der Universität Regensburg gelang es nun sogar, die Struktur von winzigen Clustern aus nur wenigen gebundenen Eisenatomen genau zu analysieren. Wie sie in der Zeitschrift „Science“ berichten, könnten diese Beobachtungen für die Entwicklung effizienterer Katalysatoren genutzt werden.

Aufnahme eines einzelnen Eisenatoms. Die unterschiedlich wirkenden Kräfte auf die Spitze des Kraftmikroskops sind in unterschiedlichen Farben dargestellt. In der Mitte erkennt man einen dunkelroten Kern, der nach außen heller wird. Umgeben von einem gelben Ring. Darauf folgt ein roter Ring. Die Größe des Eisenatoms umfasst ungefähr 250 Pikometer.
Vier Eisenatome auf einer Kupferoberfläche

„Wir wissen jetzt, dass Cluster aus drei Eisenatomen in drei verschiedenen Strukturen auf Kupferoberflächen vorliegen“, sagt Koautor Franz Giessibl, ebenfalls von der Universität Regensburg. Zusammen mit seinen Kollegen 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 Kohlenmonoxidmolekül. 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.