Wenn Elektronen es sich gemütlich machen

Atome und Moleküle sind die Grund­bausteine der Materie. Die Eigenschaften der Materie sind oftmals jedoch nicht durch diese Bausteine selbst gegeben, sondern vielmehr durch deren Wechsel­wirkungen untereinander, welche durch ihre äußeren Elektronen­hüllen bestimmt sind. Viele chemische Prozesse basieren auf dem Elektronen­transfer, dem Austausch von Elektronen zwischen Atomen und Molekülen. Eine direkte Abbildung der elementaren Bausteine und ihrer Wechselwirkung schien lange unmöglich. Doch die Abbildung einzelner Atome wurde vor mehreren Jahrzehnten dank der Erfindung raffinierter Mikroskopie­verfahren möglich. Diese basieren nicht auf Optik, stattdessen wird das Objekt mit einer atomar feinen Sensor­spitze abgetastet.

Eines dieser Verfahren ist die Raster­tunnel­mikroskopie, bei welcher durch Strommessung die Elektronen­hülle von Materie abgebildet werden kann. Mit dieser Art von Mikroskopie ist es möglich, die Elektronen­wolken von Atomen und Molekülen zu untersuchen. Ein weiteres Verfahren ist die Raster­kraft­mikroskopie, welche auf inter­atomaren Kräften basiert und in der Lage ist, einzelne Bindungen zwischen benachbarten Atomen abzubilden. Seit etwa zehn Jahren erhält man so faszinierende Bilder der chemischen Struktur einzelner Moleküle.

Die charakteristischen Eigenschaften der Elektronen­orbitale sind entscheidend für praktisch alle chemischen Reaktionen, aber umgekehrt führen chemische Reaktionen auch zu dramatischen Veränderungen der Form der Orbitale. Bislang konnte diese Rückwirkung auf die Elektronen­hülle – wenn Atome und Moleküle Ladungen mit ihren Nachbarn austauschen – nicht sichtbar gemacht werden. Da Raster­tunnel­mikroskopie auf der Messung von Strömen basiert, benötigt sie eine leitende Unterlage. Diese lässt allerdings nur einen einzelnen stabilen Ladungs­zustand für ein Molekül zu. Zusätzliche Ladung würde sofort in die darunter­liegende leitende Unterlage abfließen, was die mikroskopische Beobachtung des Effekts des Elektronen­transfers auf die Molekül­orbitale verhindert. Man muss also Moleküle auf einer elektrisch isolierenden Unterlage untersuchen, wenn man unterschiedliche Ladungs­zustände studieren möchte. Dies ist prinzipiell mit der Raster­kraft­mikroskopie möglich, allerdings kann dieser Typ von Mikroskopie nicht zur Messung der äußeren Elektronen­hülle verwendet werden.

An der Uni Regensburg konnte nun erstmals die Rückwirkung des Elektronen­transfers auf die Elektronen­orbitale in Bildern festgehalten werden. Dieser Durchbruch ist einem Team internationaler Wissenschaftler um Jascha Repp gelungen. Die Forscher kombinierten Prinzipien der Raster­tunnel- und der Raster­kraft­mikroskopie und entwickelten damit eine neuartige Variante. Anstelle des üblichen Gleichstroms bei der konventionellen Raster­tunnel­mikroskopie schicken sie in ihrem Versuchs­aufbau einen extrem schwachen Wechselstrom zwischen der atomar fein leitenden Spitze und dem zu untersuchenden Molekül. Der Wechselstrom besteht aus nur einem einzigen Elektron, das dazu gebracht wird, zwischen der Sensorspitze und dem Molekül hin- und herzuspringen. Auf diese Weise fließt keinerlei gerichteter Strom im Mikroskop, das daher auch keine leitende Unterlage für das Molekül benötigt. Das wiederum erlaubt es den Forschern, das Molekül in jeden gewünschten Ladungs­zustand zu versetzen. Es ist also möglich, das Molekül dazu zu bringen, entweder Elektronen abzugeben oder aufzunehmen – so wie bei einer chemischen Reaktion. Dabei konnten Sie beobachten, dass ein zusätzliches Elektron seine Verteilung im Molekül ändert, während es sich im Molekül ausbreitet – das Elektron macht es sich gewissermaßen auf dem Molekül gemütlich.

Mit dieser neuen Methode gelang es den Wissenschaftlern so zum ersten Mal, unmittelbare Abbildungen der Veränderungen der Elektronen­hülle, welche bei der Aufladung von Molekülen auftreten, zu erhalten – und das auf der Einzel­molekül­ebene. Diese neuartigen mikroskopischen Einblicke in die atomaren Details des Elektronentransfers auf der Einzel­orbital­ebene werfen ein völlig neues Licht auf unser Verständnis von Abläufen im Bereich wichtiger chemischer Reaktionen wie Photosynthese, Verbrennung und Korrosion.

U. Regensburg / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  L. L. Patera et al.: Mapping orbital changes upon electron transfer with tunnelling microscopy on insulators, Nature 566, 245 (2019); DOI: 10.1038/s41586-019-0910-3
• Atomic-Scale Science on Insulating Films (J. Repp), II. Institut für experimentelle und angewandte Physik, Universität Regensburg