Ein Elektron mehr oder weniger: Molekül verformt sich beim Laden

Photosynthese, Verbrennung, Stromfluss in organischen Halbleitern – Elektronentransferprozesse sind allgegenwärtig. Bei einem Elektronentransfer nimmt ein Atom oder Molekül Elektronen auf oder gibt sie ab. Dabei passt sich die molekulare Struktur an die geänderte Ladungsanzahl an.

Diese strukturellen Änderungen verformen ein Molekül manchmal sehr stark. In vielen Fällen sind die Änderungen aber auch sehr gering und machen nur einen Bruchteil des Durchmessers eines Atoms aus.

Die Rasterkraftmikroskopie (RKM) bietet die faszinierende Möglichkeit, die Struktur einzelner Moleküle mit einer Genauigkeit von wenigen billionstel Metern aufzulösen. Dazu fährt man mit einer atomar feinen Spitze über das zu untersuchende Molekül und misst die Kräfte, die das Molekül auf die Spitze ausübt.

Dies hat eine Regensburger Forschergruppe unter der Leitung von Professor Jascha Repp in Zusammenarbeit mit Forschern von IBM Zürich ausgenutzt, um die strukturellen Änderungen in einem Molekül zu messen, wenn es ein einzelnes Elektron aufnimmt.

Dazu haben die Physiker zunächst ein neutrales Molekül mittels RKM abgebildet. Anschließend fügten sie dem Molekül mit der feinen leitenden Spitze des Mikroskops ein Elektron hinzu, um dann dasselbe Molekül unter identischen Bedingungen im negativ geladenen Zustand zu messen.

Durch Vergleich der Messungen mit simulierten Bildern, konnten die Forscher sehen, wie das Molekül aufgrund des einzelnen zusätzlichen Elektrons relaxiert. Die gemessen Änderungen in den RKM Aufnahmen konnten sie auf strukturelle Änderungen von etwa fünf billionstel Meter zurückführen.

Philipp Scheuerer
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P. Scheuerer, L.L. Patera, F. Simbürger, F. Queck, I. Swart, B. Schuler, L. Gross, N. Moll, and J. Repp, „Charge-Induced Structural Changes in a Single Molecule Investigated by Atomic Force Microscopy“, Physical Review Letters (2019)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.066001