Ludwig-Maximilians-Universität München
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Nanoforschung

Kleine Cluster in höchster Präzision

München, 20.03.2015

Sogenannte Metallcluster sind technisch wichtige chemische Verbindungen. Jetzt lassen sie sich im Rasterkraftmikroskop erstmals in subatomarer Auflösung abbilden.

Kraftmikroskopie-Bild eines einzelnen Eisenatoms (links) und eines Clusters aus vier Eisenatomen auf einer Kupferoberfläche (rechts). Die Vertiefungen zeigen jeweils ein Kupferatom mit einer Größe von 255 pm (Pikometer). Fotos: UniR

Wie lagern sich einzelne Atome auf einer Oberfläche an? Wie entstehen chemische Bindungen? Für Anwendungen in Nanotechnologie oder Katalyse ist die Beantwortung dieser Fragen unerlässlich. Wissenschaftlern der Universität Regensburg und der LMU ist es nun erstmals gelungen, kleine Cluster, die nur aus wenigen Eisenatomen aufgebaut sind, präzise und in subatomarer Auflösung darzustellen. Die Forscher nutzten dafür ein speziell präpariertes Rasterkraftmikroskop. Die Abbildungen der Cluster zeigen sowohl deren interne Struktur als auch die atomare Anordnung auf einer dicht gepackten Kupferoberfläche. Cluster aus Eisenatomen sind für die Entwicklung von Kleinstmagneten oder für die Abgasreinigung in Katalysatoren von großer Bedeutung. Die neuen Forschungsergebnisse sind in der renommierten Fachzeitschrift Science veröffentlicht.

Die Entwicklung der Rasterkraftmikroskopie hat in den letzten Jahren zu enormen Fortschritten im Bereich der Nanowissenschaften geführt. Sie ermöglicht ein detailliertes Abtasten von Oberflächen. Dies geschieht allerdings nicht optisch wie bei einem Lichtmikroskop, sondern durch mechanisches Abtasten – ähnlich dem Lesen von Blindenschrift. So ermöglicht es ein Rasterkraftmikroskop, einzelne Atome auf einer Oberfläche sichtbar zu machen. Bis jetzt konnten Atome allerdings nur als einzelne Hügel ohne weitere Struktur abgebildet werden. Dasselbe galt bislang für Cluster: Hier lieferte lediglich die Höhe der Hügel Rückschlüsse über die Zahl der beinhalteten Atome.

Die Forscher um Franz J. Gießibl, Professor am Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg, haben nun einzelne Eisenatome und Cluster aus wenigen Eisenatomen untersucht. Die begleitende theoretische Basis für ihre Versuche haben Forscher um Privatdozent Diemo Ködderitzsch und Professor Hubert Ebert vom Department Chemie der LMU gelegt. So haben sie mithilfe der Dichtefunktionaltheorie auf quantenphysikalischen Grundlagen unter anderem berechnet, wie sich die Eisenatome im Cluster auf der Kupferoberfläche vorzugsweise ausrichten; Kalkulation und Experiment bestätigten sich gegenseitig.

Die Aufnahmen des Rasterkraftmikroskops zeigen Eisenatome als klar abgrenzbaren Ring mit drei Erhebungen. Mit dem neuen Verfahren ist es somit möglich, jedes Atom zu „sehen“, und auch abzuzählen, wie viele Atome in einem Cluster vorhanden sind. Zudem geben die neuen Bilder Einblicke in die Bindungssymmetrie der Eisenatome.

(Science 2015)