14.05.2020

Gezupfte Bindungen

Physiker regen einzelne chemische Bindungen eines Moleküls mit einem Rasterkraftmikroskop an.

Es bietet atem­beraubende Bilder von Molekülen und Oberflächen auf atomarer Ebene – das Rasterkraft­mikroskop. Darüber hinaus kann es zur Anregung molekularer Systeme verwendet werden. Eine energetische Anregung ist der entscheidende Schritt für die Herstellung und das Aufbrechen chemischer Bindungen und tritt bei allen chemischen Reaktionen auf. Physiker der Universität Regensburg haben nun ein einzelnes Kohlenstoff­monoxid-Molekül an der Spitze ihres Rasterkraft­mikroskops befestigt und die Spitze parallel über ein größeres Molekül bewegt.

Abb.: Stäbchen­modell des verwen­deten Moleküls. Der starke Anstieg im...
Abb.: Stäbchen­modell des verwen­deten Moleküls. Der starke Anstieg im Anregungs­signal, während der Oszillation der Spitze über die einzelnen chemischen Bin­dungen, ist in Farbe überlagert. (Bild: U. Regensburg)

Die Forscher um Jay Weymouth konnten zeigen, dass das Kohlenstoff­monoxid-Molekül an der Spitze mit den chemischen Bindungen des größeren Moleküls wechselwirkt – und zwar jeweils nur mit einer einzelnen Bindung. Diese neue Methode erlaubt es den Wissenschaftlern, Paare von aneinander gebunden Atomen mechanisch anzuregen und die zur Anregung nötige Energie zu bestimmen.

Bereits im Jahr 2009 berichteten Wissen­schaftler von IBM in der Schweiz, dass durch das gezielte Anfügen eines Kohlenstoff­monoxid-Moleküls an die Spitze eines Rasterkraft­mikroskops die innere Struktur von Molekülen abgebildet werden kann. Für die Anregung chemischer Bindungen ist jedoch eine Variation dieser Methode notwendig. Die Regensburger Wissen­schaftler bewegten die Kohlenstoff­monoxid-terminierte Spitze in lateraler Richtung. Sie fanden heraus, dass das Kohlenstoff­monoxid-Molekül an der Spitze sich vor einer chemischen Bindung zunächst wie eine Feder biegt und dann zur anderen Seite der Bindung überspringt.

„Ich stelle mir das Kohlenstoff­monoxid-Molekül wie ein Plektrum vor, das anstatt an einer Gitarren­saite an einer chemischen Bindung zupft“, sagt Weymouth, „Im Gegensatz zu anderen Techniken regen wir jedoch nicht das gesamte Molekül, sondern vielmehr eine bestimmte Bindung an“. Diese einzig­artige Entwicklung erlaubt die gezielte Anregung indi­vidueller Bindungen mit einer bestimmten Energie. Weymouth geht davon aus, dass künftige Anwendungen die optische Detektion von Molekül­schwingungen beinhalten könnten. Das Verständnis über das Verhalten der molekularen Komponenten in chemischen Reaktionen könnte dadurch verbessert werden und eine bessere Kontrolle derselben ermöglichen.

U. Regensburg / JOL

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