Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Einsame Atome glücklich vereint

26.07.2016

Das erstaunliche Verhalten von Platin-Atomen auf Magnetitoberflächen soll bessere Katalysatoren ermöglichen. An der TU Wien konnte erklärt werden, wie sich Platin-Atome mit Hilfe von Kohlenmonoxid verbinden lassen.

Magnetit ist ein unscheinbares, dunkelgraues Material. Dass es ein Star der Oberflächenphysik ist, offenbart sich erst auf atomarer Skala: Magnetit kann Metallatome festhalten oder über seine Oberfläche wandern lassen.


Experimente in der Vakuumkammer, TU Wien.

TU Wien


Zwei Platinatome auf der Magnetitoberfläche können eine Bindung eingehen, wenn sie mit CO-Molekülen verbunden sind.

TU Wien

Manchmal ballen sich mehrere Metallatome auf der Magnetit-Oberfläche auch zu kleinen Clustern zusammen. Solche Vorgänge können die chemischen Eigenschaften des Materials maßgeblich beeinflussen: Die atomaren Prozesse auf der Magnetit-Oberfläche entscheiden, wie gut verschiedene Metallatome auf Magnetit als Katalysator für chemische Reaktionen dienen können.

An der TU Wien gelang es nun, einzelne Platin-Atome und ihr Zusammenwachsen zu winzigen Clustern zu untersuchen. Kohlenmonoxid spielt dabei eine doppelte Rolle: Es macht einzelne Platin-Atome beweglich und ermöglicht ihnen, Zweierbindungen einzugehen. Gleichzeitig stabilisiert es diese Bindungen. Nur indem man die Temperatur erhöht, wird diese Bindung wieder aufgelöst.

Einsame Atome

Es klingt ein bisschen wie eine unglückliche Liebesgeschichte: „Zwei Platin-Atome wollen eigentlich zusammen sein, aber die Magnetit-Oberfläche hindert sie daran“, erklärt Roland Bliem vom Institut für angewandte Physik der TU Wien. Gemeinsam mit Prof. Gareth Parkinson, Prof. Ulrike Diebold und anderen KollegInnen des Teams für Oberflächenphysik analysierte er das Verhalten von Platin-Atomen mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops.

„Wenn die Platin-Atome auf die Magnetit-Oberfläche stoßen, werden sie dort von den Sauerstoffatomen des Magnetits festgehalten – und zwar immer einzeln, eine Bindung zweier Platinatome, wie sie auf anderen Oberflächen bevorzugt vorkommen würde, erlaubt die Magnetit-Oberfläche nicht“, sagt Roland Bliem. Die Platin-Atome sitzen daher einsam an ganz bestimmten Stellen des Magnetit-Kristallgitters und können sich ohne äußere Hilfe von dort nie wieder wegbewegen.

Doch wenn man die Oberfläche in Kontakt mit ein bisschen Kohlenmonoxid bringt, ändert sich die Situation völlig: „Ein Kohlenmonoxid-Molekül kann an das Platinatom andocken, und es gewissermaßen nach oben heben“, erklärt Gareth Parkinson. „Wir nennen das den Skyhook-Effekt: Kohlenmonoxid macht das Platin-Atom mobil, plötzlich beginnt der Komplex aus Platin-Atom und Kohlenmonoxid zufällig über die Magnetit-Oberfläche zu wandern.“

Wenn das mobile Platin-Atom auf seiner Wanderung auf ein anderes mobiles Platin-Atom trifft, dann erst können die beiden eine Bindung eingehen – das funktioniert nur, wenn beide von Kohlenmonoxid-Molekülen angehoben und damit dem Zugriff der Magnetitoberfläche ein kleines bisschen entzogen werden.

Wenn die Temperatur dann auf etwa 250°C erhöht wird, trennt sich das Kohlenmonoxid wieder vom Platin-Atom, und die Bindung ist nicht länger möglich. Die Zweierbindungen brechen auf und die Platinatome lagern sich wieder einsam an unterschiedlichen Plätzen der Magnetitoberfläche an. Dieses Phänomen liefert eine Strategie, aus Clustern wieder einzelne Atome zu gewinnen– ein wichtiger Prozess auf dem Weg zu Katalysatoren, die auf einzelnen Metallatomen basieren. Manchmal bilden sich auch Cluster aus mehreren Platin-Atomen – sie bleiben auch bei erhöhter Temperatur bestehen.

Filme mit atomarer Auflösung

„In unserem Rastertunnelmikroskop bilden wir denselben Teil der Oberfläche immer wieder ab, sodass wir daraus einen Film erstellen können, der die tanzenden Atome zeigt“, sagt Roland Bliem. „Um zu verstehen, was auf dem Magnetit tatsächlich passiert, ist das ganz entscheidend: Wir können einzelnen Atomen dabei zusehen, wie sie über die Magnetitoberfläche wandern oder sich miteinander verbinden.

Hätten wir nur ein Bild vom Endresultat, könnten wir nicht genau erkennen, ob eine bestimmte Struktur aus einem, zwei oder mehreren Atomen besteht. Erst indem es uns gelingt, die Bewegungen einzelner Atome zeitlich nachzuvollziehen, können wir die Bilder richtig interpretieren.“ Bliem führte nicht nur Experimente durch, er stellte auch aufwändige theoretische Berechnungen an, um das merkwürdige Verhalten der Platinatome auf quantenphysikalischer Ebene zu erklären.

Für die chemische Katalyse spielen solche Erkenntnisse eine wichtiger Rolle: „Metalle wie Platin sind wichtige Katalysatoren“, sagt Gareth Parkinson. „Aber es kann sein, dass ein großer Cluster aus vielen Metall-Atomen ganz andere katalytische Eigenschaften hat als mehrere einzelne Metall-Atome, die getrennt voneinander auf der Oberfläche sitzen. Wenn man also optimale Katalysatoren herstellen will, dann muss man das Verhalten der Atome auf der Magnetitoberfläche verstehen und steuern können.“

Fotodownload: https://www.tuwien.ac.at/dle/pr/aktuelles/downloads/2016/magnetit

Roland Bliema, Jessi E. S. van der Hoevenb, Jan Hulvaa, Jiri Paveleca, Oscar Gambaa, Petra E. de Jonghb, Michael Schmida, Peter Blahac, Ulrike Diebolda, and Gareth S. Parkinson (2016). "Dual role of CO in the stability of subnano Pt clusters at the Fe3O4(001) surface". PNAS: http://www.pnas.org/content/early/2016/07/22/1605649113.abstract

Rückfragehinweise:

Dipl.-Ing. Roland Bliem
Institut für Angewandte Physik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8-10, 1040 Wien
T: +43-1-58801-13466
roland.bliem@tuwien.ac.at

Gareth Parkinson, PhD
Institut für Angewandte Physik
Technische Universität Wien
Wiedner Hauptstraße 8-10, 1040 Wien
T: +43-1-58801-13473
gareth.parkinson@tuwien.ac.at

Aussender:
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Technische Universität Wien
Operngasse 11, 1040 Wien
T: +43-1-58801-41022
pr@tuwien.ac.at

Materials & Matter ist – neben Computational Science & Engineering, Quantum Physics & Quantum Technologies, Information & Communication Technology sowie Energy & Environment – einer von fünf Forschungsschwerpunkten der Technischen Universität Wien. Geforscht wird von der Nanowelt bis hin zur Entwicklung neuer Werkstoffe für großvolumige Anwendungen. Die Forschenden arbeiten sowohl theoretisch, beispielsweise an mathematischen Modellen im Computer, wie auch experimentell an der Entwicklung und Erprobung innovativer Materialien.


TU Wien - Mitglied der TU Austria
www.tuaustria.at

Weitere Informationen:

https://www.tuwien.ac.at/dle/pr/aktuelles/downloads/2016/magnetit
http://www.pnas.org/content/early/2016/07/22/1605649113.abstract

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Freie Elektronen in Sonnen-Protuberanzen untersucht
25.07.2017 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Magnetische Quantenobjekte im "Nano-Eierkarton": PhysikerInnen bauen künstliche Fallen für Fluxonen
25.07.2017 | Universität Wien

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Navigationssystem der Hirnzellen entschlüsselt

Das menschliche Gehirn besteht aus etwa hundert Milliarden Nervenzellen. Informationen zwischen ihnen werden über ein komplexes Netzwerk aus Nervenfasern übermittelt. Verdrahtet werden die meisten dieser Verbindungen vor der Geburt nach einem genetischen Bauplan, also ohne dass äußere Einflüsse eine Rolle spielen. Mehr darüber, wie das Navigationssystem funktioniert, das die Axone beim Wachstum leitet, haben jetzt Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) herausgefunden. Das berichten sie im Fachmagazin eLife.

Die Gesamtlänge des Nervenfasernetzes im Gehirn beträgt etwa 500.000 Kilometer, mehr als die Entfernung zwischen Erde und Mond. Damit es beim Verdrahten der...

Im Focus: Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwandeln Strom in leuchtende Quasiteilchen

Starke Licht-Materie-Kopplung in diesen halbleitenden Röhrchen könnte zu elektrisch gepumpten Lasern führen

Auch durch Anregung mit Strom ist die Erzeugung von leuchtenden Quasiteilchen aus Licht und Materie in halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhrchen möglich....

Im Focus: Carbon Nanotubes Turn Electrical Current into Light-emitting Quasi-particles

Strong light-matter coupling in these semiconducting tubes may hold the key to electrically pumped lasers

Light-matter quasi-particles can be generated electrically in semiconducting carbon nanotubes. Material scientists and physicists from Heidelberg University...

Im Focus: Breitbandlichtquellen mit flüssigem Kern

Jenaer Forschern ist es gelungen breitbandiges Laserlicht im mittleren Infrarotbereich mit Hilfe von flüssigkeitsgefüllten optischen Fasern zu erzeugen. Mit den Fasern lieferten sie zudem experimentelle Beweise für eine neue Dynamik von Solitonen – zeitlich und spektral stabile Lichtwellen – die aufgrund der besonderen Eigenschaften des Flüssigkerns entsteht. Die Ergebnisse der Arbeiten publizierte das Jenaer Wissenschaftler-Team vom Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT), dem Fraunhofer-Insitut für Angewandte Optik und Feinmechanik, der Friedrich-Schiller-Universität Jena und des Helmholtz-Insituts im renommierten Fachblatt Nature Communications.

Aus einem ultraschnellen intensiven Laserpuls, den sie in die Faser einkoppeln, erzeugen die Wissenschaftler ein, für das menschliche Auge nicht sichtbares,...

Im Focus: Flexible proximity sensor creates smart surfaces

Fraunhofer IPA has developed a proximity sensor made from silicone and carbon nanotubes (CNT) which detects objects and determines their position. The materials and printing process used mean that the sensor is extremely flexible, economical and can be used for large surfaces. Industry and research partners can use and further develop this innovation straight away.

At first glance, the proximity sensor appears to be nothing special: a thin, elastic layer of silicone onto which black square surfaces are printed, but these...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

10. Uelzener Forum: Demografischer Wandel und Digitalisierung

26.07.2017 | Veranstaltungen

Clash of Realities 2017: Anmeldung jetzt möglich. Internationale Konferenz an der TH Köln

26.07.2017 | Veranstaltungen

2. Spitzentreffen »Industrie 4.0 live«

25.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Robuste Computer für's Auto

26.07.2017 | Seminare Workshops

Läuft wie am Schnürchen!

26.07.2017 | Seminare Workshops

Leicht ist manchmal ganz schön schwer!

26.07.2017 | Seminare Workshops