Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Sauerstoff zum Ein- und Ausschalten

14.03.2017

An der TU Wien ist es gelungen, einen chemisch höchst wichtigen Prozess gezielt zu steuern: Sauerstoffmoleküle können zwischen einem reaktiven und einem nicht reaktiven Zustand umgeschaltet werden.

Sauerstoff ist hoch reaktiv. Warum verbrennen wir dann nicht spontan, obwohl wir ständig von diesem aggressiven Element umgeben sind? Der Grund ist, dass Sauerstoff um uns herum als O2-Molekül vorkommt, in einer wenig reaktiven Form.


Kraftmikroskop (TU Wien)

TU Wien


Sensor des Kraftmikroskops

TU Wien

An der TU Wien gelang es nun, einzelne Sauerstoffmoleküle auf einer Titanoxid-Oberfläche unter einem speziellen Kraftmikroskop ganz gezielt von einem nicht-reaktiven auf einen reaktiven Zustand umzuschalten. Gleichzeitig konnte man diesen Prozess erstmals auf hochauflösenden Bildern festhalten.

Aktivierend: Hitze oder Elektronen

„Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die stabilen, nicht-reaktiven O2-Moleküle in einen reaktiven Zustand zu versetzen“, sagt Martin Setvin, Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe von Prof. Ulrike Diebold am Institut für Angewandte Physik der TU Wien. „Man kann die Temperatur erhöhen – das passiert bei einer Verbrennung. Oder man fügt den Molekülen ein zusätzliches Elektron hinzu, auch dadurch werden sie chemisch aktiv.“

Dieser Vorgang, Sauerstoffmoleküle durch Hinzufügen von Elektronen zu aktivieren, ist allgegenwärtig – alle lebenden Organsimen nutzen diesen Trick, und auch moderne Brennstoffzellen funktionieren auf diese Weise. An der TU Wien ist es nun gelungen, diesen Prozess erstmals im Kraftmikroskop auf atomarer Skala abzubilden und gezielt zu steuern.

Untersucht wurden Sauerstoff-Moleküle, die auf der Oberfläche eines Titanoxid-Kristalls sitzen. Titanoxid ist ein technologisch besonders interessantes Material, das in vielen Bereichen eingesetzt wird – von der Beschichtung für künstliche Hüftgelenke bis hin zu selbstreinigenden, schmutzabweisenden Spiegeln. Es ist ein Photokatalysator, das bedeutet, dass seine Fähigkeit, sich an chemischen Reaktionen zu beteiligen, von der Lichteinstrahlung abhängt.

Atome direkt abbilden

An der TU Wien wurde in den letzten Jahren ein ganz besonders leistungsfähiges Kraftmikroskop aufgebaut und optimiert, finanziert durch den Wittgensteinpreis, den Ulrike Diebold 2014 gewann. Dieses Gerät spielte bei dem aktuellen Forschungsprojekt eine entscheidende Rolle: „Eine winzige Nadel wird in Schwingung versetzt und über die Oberfläche bewegt. Durch die Kraft, die zwischen der Nadelspitze und den Atomen der Probe wirkt, ändert sich die Schwingung, und daraus kann man schließlich Punkt für Punkt ein Bild der Oberfläche erstellen“, erklärt Ulrike Diebold.

„Durch eine ausgetüftelte Abbildungstechnik und viel Erfahrung im Umgang mit solchen Materialien können wir sogar Bilder erzeugen, auf denen man den Unterschied zwischen neutralen, inaktiven Sauerstoff-Molekülen und reaktiven, geladenen Sauerstoff-Molekülen mit zusätzlichem Elektron direkt sieht.“

Mit der Spitze des Kraftmikroskops kann man auch einzelnen Sauerstoff-Molekülen ganz gezielt ein Elektron hinzufügen und dann beobachten, dass es dadurch vom inaktiven in den aktiven Zustand wechselt. Dasselbe geschieht auch, wenn man die Titanoxid-Oberfläche mit Licht bestrahlt – dann beginnen im Material freie Elektronen zu wandern und können eines der Sauerstoff-Moleküle aktivieren.

„Egal ob wir mit dem Mikroskop ein Elektron hinzufügen oder das Titanoxid durch Licht dazu bringen, ein Elektron an das Sauerstoff-Molekül zu liefern – wie wir zeigen konnten, ist das Endergebnis dasselbe“, sagt Ulrike Diebold. „Unsere Methode ermöglicht uns ein völlig neues Ausmaß an Kontrolle über diesen Prozess. Das eröffnet uns neue Möglichkeiten, die Wirkung von Katalysatoren zu untersuchen.“

Rückfragehinweise:

Martin Setvin, PhD,
Institut für Angewandte Physik
TU Wien
Wiedner Hauptstraße 8-10, 1040 Wien
T: +43-1-58801-13458
martin.setvin@tuwien.ac.at

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

Weitere Informationen:

http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1618723114 Originalpublikation

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Vorstoß ins Innere der Atome
23.02.2018 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

nachricht Quanten-Wiederkehr: Alles wird wieder wie früher
23.02.2018 | Technische 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: Vorstoß ins Innere der Atome

Mit Hilfe einer neuen Lasertechnologie haben es Physiker vom Labor für Attosekundenphysik der LMU und des MPQ geschafft, Attosekunden-Lichtblitze mit hoher Intensität und Photonenenergie zu produzieren. Damit konnten sie erstmals die Interaktion mehrere Photonen in einem Attosekundenpuls mit Elektronen aus einer inneren atomaren Schale beobachten konnten.

Wer die ultraschnelle Bewegung von Elektronen in inneren atomaren Schalen beobachten möchte, der benötigt ultrakurze und intensive Lichtblitze bei genügend...

Im Focus: Attoseconds break into atomic interior

A newly developed laser technology has enabled physicists in the Laboratory for Attosecond Physics (jointly run by LMU Munich and the Max Planck Institute of Quantum Optics) to generate attosecond bursts of high-energy photons of unprecedented intensity. This has made it possible to observe the interaction of multiple photons in a single such pulse with electrons in the inner orbital shell of an atom.

In order to observe the ultrafast electron motion in the inner shells of atoms with short light pulses, the pulses must not only be ultrashort, but very...

Im Focus: Good vibrations feel the force

Eine Gruppe von Forschern um Andrea Cavalleri am Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie (MPSD) in Hamburg hat eine Methode demonstriert, die es erlaubt die interatomaren Kräfte eines Festkörpers detailliert auszumessen. Ihr Artikel Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, nun online in Nature veröffentlich, erläutert, wie Terahertz-Laserpulse die Atome eines Festkörpers zu extrem hohen Auslenkungen treiben können.

Die zeitaufgelöste Messung der sehr unkonventionellen atomaren Bewegungen, die einer Anregung mit extrem starken Lichtpulsen folgen, ermöglichte es der...

Im Focus: Good vibrations feel the force

A group of researchers led by Andrea Cavalleri at the Max Planck Institute for Structure and Dynamics of Matter (MPSD) in Hamburg has demonstrated a new method enabling precise measurements of the interatomic forces that hold crystalline solids together. The paper Probing the Interatomic Potential of Solids by Strong-Field Nonlinear Phononics, published online in Nature, explains how a terahertz-frequency laser pulse can drive very large deformations of the crystal.

By measuring the highly unusual atomic trajectories under extreme electromagnetic transients, the MPSD group could reconstruct how rigid the atomic bonds are...

Im Focus: Verlässliche Quantencomputer entwickeln

Internationalem Forschungsteam gelingt wichtiger Schritt auf dem Weg zur Lösung von Zertifizierungsproblemen

Quantencomputer sollen künftig algorithmische Probleme lösen, die selbst die größten klassischen Superrechner überfordern. Doch wie lässt sich prüfen, dass der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Von festen Körpern und Philosophen

23.02.2018 | Veranstaltungen

Spannungsfeld Elektromobilität

23.02.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - April 2018

21.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Vorstoß ins Innere der Atome

23.02.2018 | Physik Astronomie

Wirt oder Gast? Proteomik gibt neue Aufschlüsse über Reaktion von Rifforganismen auf Umweltstress

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Wie Zellen unterschiedlich auf Stress reagieren

23.02.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics