Erst Abstoßung, dann Anziehung

Alle Dinge bestehen aus Atomen, die ständig in Bewegung sind. Sie ziehen sich an, wenn sie etwas entfernt sind voneinander, stoßen sich jedoch ab, wenn man sie aufein­ander drückt. Für die Natur der Atom­bindungen hat der Physiker Lenard-Jones bereits 1932 eine wichtige Komplikation festgestellt: Es können auch zwei Bindungstypen mit verschiedenen Gleich­gewichts­abständen existieren, eine schwache Bindung, genannt Physisorption und eine starke chemische Bindung, genannt Chemisorption.

Die Erste ist zum Beispiel für die Anhaftung von Staub auf Oberflächen oder von Geckos auf Wänden verant­wortlich. Die Zweite ist zehn bis hundert Mal stärker als die Physisorption. 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 von Experimental­physikern der Uni Regensburg ist es jetzt erstmals gelungen, den Übergang von der Physi­sorption in die Chemi­sorption direkt zu messen, 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. Die Über­windung der Potenzial­barriere nach der Physi­sorption erfordert eine Hybridi­sierung, die in den quanten­chemischen Rechnungen erklärt und nach­gewiesen wurde.

U. Regensburg / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  F. Huber et al.: Chemical Bond Formation Showing a Transition from Physisorption to Chemisorption, Science 365, eaay3444 (2019); DOI: 10.1126/science.aay3444
• Quanten-Nanowissenschaft (F. J. Gießibl), Institut für experimentelle und angewandte Physik, FB Physik, Universität Regensburg