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News: Die Bindungen einzelner Moleküle messen

Die Erfindung des Raster-Tunnelmikroskops machte es möglich, Atome zu visualisieren. Mit einer nur geringfügig modifizierten Technik kann das Gerät auch genutzt werden, um die Schwingungsenergien einzelner Bindungen in einem Molekül zu messen.
Seit Jahren bemühen sich Wissenschaftler, mit Hilfe von Raster-Tunnelmikroskopen die Bindungen in einem Molekül zu untersuchen. Doch erst einem Team von der Cornell University gelang es, die Vibrationsfrequenz und darüber die zugehörige Schwingungsenergie in einem einzelnen Acetylen-Molekül zu bestimmen (Science vom 12. Juni 1998). Barry Stipe, Mohammad Rezaei und Wilson Ho eröffnen mit ihrer Methode neue Wege, die Arbeitsweise von Katalysatoren und biologischen Makromolekülen zu erforschen.

Vereinfachend gesprochen, werden die Atome in einem Molekül zusammengehalten, weil die negativ geladenen Elektronen des einen Atoms den positiv geladenen Kern des anderen Atoms anziehen und umgekehrt. Gleichzeitig stoßen sich die Elektronenhüllen und Kerne der beiden Atome gegenseitig ab. Die Kerne schwingen dabei um einen mittleren Abstand voneinander, als seien sie über winzige Federn miteinander verbunden. Jede Bindung in einem Molekül weist bestimmte Frequenzen auf, mit denen diese Vibration vor sich geht, und jeder Frequenz entspricht eine bestimmte Energie. Elektronen, deren Energie zur Vibrationsenergie paßt oder sogar höher liegt, können einfacher durch das Molekül wandern als solche mit zu geringer Energie.

Wissenschaftler können ein "Vibrationsspektrum" erstellen, indem sie über einen breiten energetischen Bereich Strom durch das zu untersuchende Molekül fließen lassen. Sie erhalten eine Art "Fingerabdruck" der Bindungen, über den sich zum Beispiel unbekannte Verbindungen identifizieren ließen. In den letzten Jahren konnte dieses Verfahren bei der nichtelastischen Elektronen-Tunnel-Spektroskopie nur an vielen Milliarden Molekülen zugleich angewandt werden. Die Substanz wurde als dünner Film auf einen Träger aufgebracht und eine variable Spannung angelegt. Das Ergebnis war ein Mittelwert über alle durchflossenen Teilchen. Stipe, Rezaei und Ho ist es nun gelungen, die Molekülbewegungen von Acetylen (C2H2), das auf eine Kupferoberfläche gebunden wurde, durch Kühlung auf acht Kelvin (- 265 Grad Celsius) zu minimieren und die Vibrationsmessungen mit einem speziellen Raster-Tunnelmikroskop (RTM) durchzuführen.

Ein Raster-Tunnelmikroskop besteht im wesentlichen aus einer extrem feinen Nadel, die an ihrer Spitze ein einzelnes Atom trägt. Die Nadel fährt mit einem Abstand von weniger als einem Nanometer über die abzutastende Oberfläche. Weil zwischen Nadel und Oberfläche eine kleine elektrische Spannung anliegt, springt manchmal ein Elektron vom einen zum anderen über, der sogenannte Tunnelstrom fließt. Ein Bild von der Oberfläche entsteht, wenn die Nadel von einem Computer in Streifen darüber hin und her geführt wird, wobei er den Tunnelstrom und damit den Abstand zwischen Nadel und Oberfläche konstant hält. Die Korrekturbewegungen werden aufgezeichnet und am Bildschirm dargestellt.

Für das neue Experiment wurde die Nadel in einer festen Höhe über dem Acetylen-Molekül festgestellt und die Spannung zwischen Null und 500 Millivolt variiert. Bei 358 Millivolt ereichte der Tunnelstrom ein Maximum – die fließenden Elektronen hatten genau die richtige Energie, die zur Schwingung der Bindung zwischen einem Kohlenstoff- und einem Wasserstoffatom im Molekül paßte.

Nach Aussage der Wissenschaftler konnten andere Forscher bisher keine so exakten Daten liefern, weil die Änderung im Tunnelstrom durch die Bindungsvibration normalerwiese kleiner ist als die Störungen einer schwankenden RTM-Nadel. Das Instrument der Cornell-Physiker war darum extra so gebaut, daß die Nadel um weniger als 1 Pikometer zitterte, was nicht einmal einem Prozent eines Atomdurchmessers entspricht. Diese Genauigkeit wurde mit einer speziellen Elektronik und Kontrollsoftware erreicht.

Die Fähigkeit, einzelne Bindungstypen gezielt mit dem Gerät anzusprechen, eröffnet neue Meßwege wie die "Vibrationsmikroskopie". Dabei fährt die Nadel mit konstant gehaltenem Tunnelstrom über eine Oberfläche, während die Spannung auf die gesuchte Bindungsart eingestellt ist. Auf diese Weise werden nur die gewünschten Bindungen gefunden, alle anderen bleiben unsichtbar. Die Forscher haben diesen Effekt demonstriert, indem sie im Acetylen den normalen Wasserstoff gegen schweren Wasserstoff (Deuterium) ausgetauscht haben. Eine Untersuchung bei 358 Millivolt zeigte nur die gewöhnlichen Acetylen-Moleküle, bei 266 Millivolt war dagegen lediglich Acetylen mit Deuterium zu sehen.

Wenn es gelingen sollte, die Auflösung noch zu erhöhen – so hoffen die Forscher – könnte im Prinzip jede einzelne Bindung in einem Molekül individuell untersucht werden.

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