Seitwärtige Abbildung der Moleküle

Lateralkraftmikroskopie enthüllt winzige Wasserstoffatome.

Studie in der Zeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ veröffentlicht.

Forscher*innen der Universität Regensburg und der Technischen Universität Graz haben gezeigt, dass Wasserstoffatome an den Seiten von Molekülen, die auf einer Oberfläche liegen, direkt abgebildet werden können. Die Studie, die kürzlich in der Zeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ veröffentlicht wurde, beschreibt, dass durch einen Blick neben die Moleküle die Position und das Vorhandensein von den zuvor verborgenen Wasserstoffatomen aufgedeckt werden kann.

Wasserstoffatome, die sich an den Außenseiten von Molekülen befinden, beeinflussen viele Eigenschaften dieser Moleküle, darunter auch ihre Wechselwirkung mit anderen Molekülen. Wasserstoffbrückenbindungen sind eine der häufigsten Formen molekularer Wechselwirkungen, bei denen ein positiv geladenes Wasserstoffatom an der Seite eines Moleküls von einem negativen Atom in einem benachbarten Molekül angezogen wird.

Wasserstoffbrücken sind von großer Bedeutung im Bereich der Oberflächensynthese, bei der Moleküle zunächst auf einer Oberfläche absorbiert werden und dann miteinander reagieren. Doch trotz ihrer Bedeutung waren direkte Beobachtungen dieser kleinen, aber wichtigen Atome bisher kaum möglich.

Künstlerische Darstellung einer LFM-Spitze, die sich der Seite eines Moleküls nähert, wo sie für die terminalen H-Atome empfindlich ist. © A. J. Weymouth

Um die Seiten von Molekülen sichtbar zu machen, verwendeten die Forscher*innen eine spezielle Technik, die von der Rasterkraftmikroskopie (AFM) abgeleitet ist. Bei der AFM-Messungen wird eine scharfe Spitze in die Nähe einer Oberfläche gebracht und die auf die Spitze wirkenden Kräfte aufgezeichnet, während sie sich über die Oberfläche bewegt.

Frühere AFM-Experimente konzentrierten sich auf die vertikale Komponente der Kraft und konnten deshalb die Wasserstoffatome an den Seiten der Moleküle nicht erkennen. Um diese Einschränkung zu überwinden, setzten die Forscher*innen die Lateralkraftmikroskopie (LFM) ein, welche die horizontalen Kräfte misst die auf die AFM-Spitze einwirken. PD Dr. Alfred J. Weymouth aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Franz J. Gießibl, Inhaber der Lehrstuhls für Quanten-Nanowissenschaften an der UR, ist ein führender Experte auf dem Gebiet von LFM. Er hob deren einzigartige Fähigkeiten hervor und erklärte: „Trotz der Tatsache, dass sie noch nicht weit verbreitet ist, bietet LFM mehrere Vorteile gegenüber des konventionellen AFM, darunter eine außergewöhnliche Abstandsempfindlichkeit, die es ermöglicht, physikalische Parameter aus einem einzigen Bild zu extrahieren und die Fähigkeit Reibungskräfte zu quantifizieren, indem ein einzelnes Atom über chemische Bindungen geschoben wird.“

Durch die Messung der lateralen Kraft, die auf die AFM-Spitze an den Rändern der Moleküle ausgeübt wird, konnten Dr. Weymouth und seine Mitarbeiter*innen die Wasserstoffatome direkt erkennbar machen. Die Rohdaten aus den Experimenten konnten direkt mit theoretischen Berechnungen verglichen werden, was zu einem besseren Verständnis der atomaren Wechselwirkungen führte. Während Atom-Atom-Wechselwirkungen häufig mit vereinfachten, abstandsabhängigen Funktionen modelliert werden, zeigte der Vergleich dieser Modelle mit den experimentellen Daten die Grenzen dieser Näherungen auf und machte deutlich, wie wichtig es ist, zusätzliche Faktoren in diese theoretischen Rahmenwerke einzubeziehen.

Diese Erkenntnisse sind sowohl für AFM- als auch für LFM-Untersuchungen wertvoll, da sie den Forscher*innen ermöglichen, ihr Verständnis grundlegender atomarer Wechselwirkungen zu verfeinern.
Die Möglichkeit, Wasserstoffatome direkt zu beobachten, stellt einen bedeutenden Durchbruch für die Forschung dar und bietet ein leistungsfähiges Instrument, um die komplizierten Mechanismen und Zwischenschritte chemischer Reaktionen an Oberflächen aufzuklären. Dieser Durchbruch birgt ein immenses Potenzial für Fortschritte in verschiedenen Bereichen, einschließlich der Oberflächenkatalyse und der molekularen Wechselwirkungen im menschlichen Körper. Die Entwicklung dieser neuartigen Technik erweitert unser Verständnis der mikroskopischen Welt   und eröffnet neue Wege für Forschung und Innovation. Durch die direkte Visualisierung des Verhaltens von Wasserstoffatomen können Forscher tiefere Einblicke in die grundlegenden Prozesse gewinnen, die die Wechselwirkungen von Molekülen bestimmen und so den Weg für transformative Fortschritte in verschiedenen Bereichen ebnen.

Über die Universität Regensburg und die Technische Universität Graz
Die Fakultät für Physik der Universität Regensburg ist eine der führenden Forschungseinrichtungen in Deutschland mit einem starken Schwerpunkt auf der Physik der kondensierten Materie. Professor Gießibl leitet den Lehrstuhl für Quanten-Nanowissenschaften, in der die experimentellen Arbeiten durchgeführt wurden. Professor Hofmann leitet die „Simulation-Driven Material Discovery Group“ an der Technischen Universität Graz, wo die theoretischen Berechnungen durchgeführt wurden.

Originalpublikation:
Nam, Shinjae; Riegel, Elisabeth; Hörmann, Lukas; Hofmann, Oliver T.; Gretz, Oliver; Weymouth, Alfred J.; Giessibl, Franz J.: „Exploring in-plane interactions beside an adsorbed molecule with lateral force microscopy” (2024), Proceedings of the National Academy of Sciences, doi:10.1073/pnas.2311059120;
https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2311059120

Informationen/Kontakt

PD Dr. Alfred J. Weymouth
Lehrstuhl für Quanten-Nanowissenschaften
Universität Regensburg
Forschungsgruppe Prof. Giessibl
Tel.: +49 (0) 941 943-2108
E-Mail: jay.weymouth@ur.de

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