Ludwig-Maximilians-Universität München
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Bindung von Atomen

Auf Abstoßung folgt Anziehung

München, 13.09.2019

Ein Team von Physikern und Quantenchemikern misst erstmals den Übergang einer schwachen Atombindung in eine starke.

Was geschieht beispielsweise bei der Abgasreinigung im Katalysator? Wie kommt weniger aus dem Auspuff? Physiker untersuchen grundlegende Mechanismen der Adsorption. Foto: imago images/xbizoo_nx Panthermedia

Atome sind die elementaren Bausteine der Materie. Der US-amerikanische Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman erklärte ihre Bedeutung in seinem grundlegenden Lehrbuch einst mit folgenden Worten: „… alle Dinge bestehen aus Atomen - kleine Teilchen die ständig in Bewegung sind, sich anziehen, wenn sie etwas entfernt sind voneinander, sich aber abstoßen, wenn man sie aufeinander drückt“. Dabei können die Atombindungen mit verschiedenen Gleichgewichtsabständen existieren, wie der Physiker John Lennard-Jones bereits 1932 festgestellt hat: Es gibt eine schwache Bindung, genannt Physisorption, und eine starke chemische Bindung, genannt Chemisorption. Erstere ist zum Beispiel für die Anhaftung von Staub auf Oberflächen verantwortlich. Die Zweitere ist zehn bis hundert Mal stärker. Das Wechselspiel dieser Adsorptionsarten ist wichtig für den Ablauf chemischer Reaktionen auf Oberflächen, zum Beispiel bei der Abgasreinigung im Autokatalysator oder bei der katalytischen Gewinnung chemischer Grundstoffe. Die Existenz dieser beiden Adsorptionsarten wird durch eine Energiekurve mit zwei Minima dargestellt. Derartige Graphiken werden seit Jahrzehnten in den Lehrbüchern der physikalischen Chemie und Oberflächenphysik abgedruckt, obwohl sie bisher nur theoretisch postuliert waren.

Einer Gruppe um Professor Franz J. Giessibl (Experimentelle Physik) von der Universität Regensburg ist es nun erstmals gelungen, den Übergang von der Physisorption in die Chemisorption direkt zu messen. Dies gelang, indem sie ein Kohlenstoffmonoxid-Molekül an der Spitze ihres Rasterkraftmikroskops befestigten, dieses an ein einzelnes Eisenatom auf einer Kupferoberfläche annäherten und die Kraftentwicklung bei der Annäherung aufzeichneten. Unterstützt wurden sie von einem Team von Quantenchemikern der LMU: Professor Hubert Ebert, Dr. Sergiy Mankovsky und Svitlana Polyesa. Die LMU-Forscher steuerten die theoretische Erklärung zu dem Experiment bei: Die Überwindung der Potentialbarriere nach der Physisorption erfordert eine sogenannte Hybridisierung, die in den quantenchemischen Rechnungen erklärt und nachgewiesen wurde.
Science 2019