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News: Spitzenmikroskopie

Vor knapp drei Jahren berichteten Augsburger Physiker, dass sie mit ihrem Rasterkraftmikroskop Strukturen sichtbar machen konnten, die kleiner als ein Atom sind. Nachdem ihre Arbeit in Fachkreisen zunächst einige Kritik erntete, scheint nun der Beweis erbracht, dass eine derartige Auflösung prinzipiell möglich ist.
Orbital?
Dank moderner mikroskopischer Verfahren lassen sich selbst atomare Details einer Probenoberfläche erschließen. So setzt beispielsweise das Rasterkraftmikroskop (AFM, atomic force microscopy) auf die inneratomaren Wechselwirkungen zwischen den vordersten Atomen einer feinen Messspitze und den Atomen einer zu untersuchenden Oberfläche. Dabei lenken die winzigen anziehenden und abstoßenden Kräfte, die im Abstand von einigen Nanometern bis hinunter zu Zehntel Nanometern auf die Messspitze wirken, eine weiche Blattfeder aus, an deren Ende die Spitze montiert ist.

Mit Hilfe eines reflektierten Laserstrahls lässt sich die Auslenkung der Blattfeder und damit die Kraft auf die Spitze ermitteln. Da die Kraft auf die Spitze direkt oberhalb eines Atoms größer ist als über einer Lücke im Material, kann so durch zeilenweises Abrastern einer Materialoberfläche deren Topographie erkundet werden – bestenfalls auf das Atom genau.

Doch Franz Gießibl und seinen Kollegen von der Universität Augsburg gelang noch mehr: Die Physiker berichteten im Juli 2000, dass sie mit Hilfe ihres speziellen Rasterkraftmikroskops subatomare Strukturen sichtbar machen konnten [1]. Offenbar hatte der filigrane einkristalline Quarz, der als Blattfeder in ihrer Apparatur diente, dafür gesorgt, dass sogar die hantelförmigen Elektronenwolken von Atomen sichtbar werden – die so genannten Orbitale. Andere Wissenschaftler waren von dieser Entdeckung jedoch nicht überzeugt und degradierten die verschwommenen Schatten als apparativ bedingte Fehler oder schlichtweg als Fehlerinterpretation der Wechselwirkung zwischen Spitze und Probe.

Nun kommt aus Salt Lake City Rückendeckung für die Ergebnisse der Augsburger. Denn Minghuang Huang, Martin Cuma und Feng Liu von der University of Utah haben mit der geballten Rechenkraft von über 300 PCs, die zu einem parallelen Supercomputer verschaltet waren, simuliert, was sich mit einem Rasterkraftmikroskop gerade noch erkennen lässt [2]. Und siehe da, tatsächlich ist es prinzipiell möglich, die Orbitale eines Atoms aufzulösen. Denn befindet sich die Spitze des Mikroskops nur nah genug an einem Atom, dann – so zeigt die Simulation – machen sich die winzigen Kräfte bemerkbar, die Elektronen auf ihrer Bahn um den Atomkern bewirken.

"Nah genug" heißt dabei nicht mehr als zwei bis drei Ångström – also in etwa dem Durchmesser eines Atoms entsprechend. Ob damit aber nun die Ergebnisse von Gießibl und seinen Kollegen rehabilitiert sind? Liu will sich darauf nicht festlegen. Denn nicht jeder Kritikpunkt an der Arbeit lässt sich ausräumen. Immerhin, so meint der Physiker, sei nun gewiss, dass es prinzipiell ginge.

Bedeutsam wäre ein solches Auflösungsvermögen in jedem Fall. So könnte es dabei helfen, die guten katalytischen Eigenschaften bestimmter Materialien zu erklären. Diese beruhen nämlich in der Regel auf der speziellen Oberflächenbeschaffenheit des jeweiligen Stoffs. Überhaupt könnte die Möglichkeit, Orbitale zu sehen, dem AFM dazu verhelfen, die Chemie einer Oberfläche zu erschließen – also beispielsweise die vorhandenen Elemente nachzuweisen. Bislang ist ein AFM dazu nicht in der Lage. Valy Vardeny, ebenfalls von der University of Utah, meint zu Recht: "Früher waren die Leute skeptisch, dass sich jemals Atome sichtbar machen ließen. Doch es hat sich gezeigt, dass es funktioniert."

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