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Forscher der amerikanischen IT-Firma IBM haben in Zürich erstmals die vollständige chemische Struktur eines Moleküls in einer solchen Auflösung dargestellt, dass alle Atome sichtbar sind. Ihnen gelang damit ein Durchbruch auf dem Gebiet der Nanowissenschaften. Durch die Aufnahmen eröffnen sich viele Möglichkeiten, etwa die Erforschung neuer elektronischer Bauelemente.
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Forscher der amerikanischen IT-Firma IBM haben in Zürich erstmals die vollständige chemische Struktur eines Moleküls in einer solchen Auflösung dargestellt, dass alle Atome sichtbar sind. Ihnen gelang damit ein Durchbruch auf dem Gebiet der Nanowissenschaften. Durch die Aufnahmen eröffnen sich viele Möglichkeiten, etwa die Erforschung neuer elektronischer Bauelemente.

Forschung

Erster Schnappschuss eines Moleküls

Wissenschaftler haben erstmals ein organisches Molekül in seiner komplexen Struktur abbilden können. Das könnte für die Computertechnologie von großer Bedeutung sein. Von Kerstin Holzheimer

Von Kerstin Holzheimer

Hübsche tiefblaue Kristalle zu betrachten genügt den Forschern schon längst nicht mehr. Während man dem Menschen mit Hilfe der Röntgen-Technik längst bis auf die kleinsten Knochen blicken kann - entziehen sich chemische Netzwerke bisher den hochentwickelten "Fotoapparaten" der Wissenschaftler. Immer tiefer versuchen sie schon lange in die atomaren Strukturen der Stoffe einzudringen. Denn bisher weiß man zwar von der Existenz von Molekülen und Atomen - aber ein vollständiges Molekül konnte noch niemand abbilden.

Jetzt melden fünf Wissenschaftler den Durchbruch: Das erste Molekül samt seiner vollständigen chemischen Struktur ist unter einem Mikroskop aufgetaucht. Leo Gross, Fabian Mohn, Nikolaj Moll und Gerhard Meyer vom Computerhersteller IBM sowie Peter Liljeroth von der Universität Utrecht "fotografierten" ein Molekül des organischen Halbleiters Pentacen.

Normale Menschen können davon nur tiefblaue oder violette Kristalle sehen. Den Forschern offenbarte sich eine beeindruckende Struktur von hexagonalen Kohlenstoffringen. Sie konnten auch eindeutig die dazu gehörenden Wasserstoff-Atome identifizieren.

Doch dazu benötigten die Forscher nicht nur ein besonderes Rasterkraftmikroskop AFM sondern sogar eine eigens entwickelte winzige Spitze für das Messgerät. Damit wurde die Oberfläche des Moleküls gescannt. Immer wieder spielte dem Team zuvor die An- oder Abstossung der Moleküle einen Streich und sorgten für eine viel zu schwache Auflösung der Bilder.

Gemessen wurde mit einer extrem winzigen Metallspitze, die bis zu einem halben Nanometer an die Probe des Pentacens gelangen musste. Doch zunächst verhielt sie sich wie ein Magnet zu dem Molekül, das doch still halten sollte.

"Die Berechnungen zeigten, dass die so genannte Pauli-Abstossung zwischen dem CO-Molekül an der Spitze und dem Pentacen für den atomaren Kontrast verantwortlich ist", konnte Nikolaj Moll nach einigen Berechnungen das Phänomen erklären.

Das Experiment gelang erst nach diversen Tests mit unterschiedlichen Stoffen an der Oberfläche des Messinstrumentes. "Um unsere Spitze zu schärfen, haben wir gezielt Atome und Moleküle durch Manipulationstechniken an die Spitze angefügt. Messungen mit unterschiedlich präparierten Spitzen zeigen deutlich, dass das vorderste Atom oder Molekül der Spitze die Auflösung entscheidend beeinflusst", erläutert Leo Gross.

Ein Kohlenstoffmonoxid-Monokül - sonst eher als tödliches Gift in Auspuffgasen bekannt - brachte die Lösung: Das Bild wurde scharf mit optimaler Auflösung für die einzelnen Atompositionen und deren chemische Verbindung.

Besonders begeistert die Forscher die Stabilität des Experiments - denn sie benötigten mehr als 20 Stunden um zusätzlich zum bescannten Bild im Mikroskop eine dreidimensionale Topographie der über dem Molekül wirkenden Kräfte zu erstellen.

Dazu war es notwendig, in einem Ultrahochvakuum zu arbeiten und bei wirklich frostigen Temperaturen: Minus 268 Grad Celsius. Erst mit Hilfe des AFM war es möglich, durch die Elektronenwolke hindurch zu schauen, die jedes Molekül umhüllt wie Weltraumschrott die Erde.

Wichtig ist diese Erforschung von Molekülen und deren Netzwerken für den Bau von leistungsfähigeren Speicherchips und Prozessoren. Das Forschungsteam geht davon aus, dass mit ihren Erkenntnissen über die Grenzen heutiger Computertechnologie hinaus noch schnellere Bauelemente möglich sind.

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