Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Regensburger Physiker beobachten, wie es sich Elektronen gemütlich machen

14.02.2019

Und können dadurch mit ihrer neu entwickelten Mikroskopiemethode Orbitale einzelner Moleküle in verschiedenen Ladungszuständen abbilden. Die internationale Forschergruppe der Universität Regensburg berichtet über ihre Ergebnisse unter dem Titel “Mapping orbital changes upon electron transfer with tunnelling microscopy on insulators” in der weltweit angesehenen Fachzeitschrift ,,Nature‘‘.

Sie sind die Grundbausteine der uns umgebenden Materie - Atome und Moleküle. Die Eigenschaften der Materie sind oftmals jedoch nicht durch diese Bausteine selbst gegeben, sondern vielmehr durch deren Wechselwirkungen untereinander, welche durch ihre äußeren Elektronenhüllen bestimmt sind.


Änderung der Elektronenwolke eines einzelnen Moleküls durch Ladung.

Foto: Laerte Patera & Jascha Repp – Zur ausschließlichen Verwendung im Rahmen der Berichterstattung zu dieser Pressemitteilung.

Viele chemische Prozesse basieren auf dem sogenannten Elektronentransfer, dem Austausch von Elektronen zwischen Atomen und Molekülen.

Atome und Moleküle sind unvorstellbar klein, so dass die direkte Abbildung dieser elementaren Bausteine und deren Wechselwirkung für lange Zeit unmöglich schien.

Die Abbildung einzelner Atome wurde vor mehreren Jahrzenten dank der Erfindung raffinierter Mikroskopieverfahren möglich. Diese basieren nicht auf Optik, stattdessen wird das Objekt mit einer atomar feinen Sensorspitze abgetastet.

Damit ist man in der Lage, Materie bis auf die Größenordnung eines Ångström, den zehnmillionsten Teil eines Millimeters, abzubilden. Eines dieser Mikroskopieverfahren ist die Rastertunnelmikroskopie, bei welcher durch Strommessung die Elektronenhülle von Materie abgebildet werden kann.

Mit dieser Art von Mikroskopie ist es möglich, die Elektronenwolken von Atomen und Molekülen, welche auch Elektronenorbitale genannt werden, zu untersuchen.

Ein weiteres Mikroskopieverfahren ist die Rasterkraftmikroskopie, welche auf inter-atomaren Kräften basiert und in der Lage ist, einzelne Bindungen zwischen benachbarten Atomen abzubilden. Seit etwa zehn Jahren erhält man so faszinierende Bilder der chemischen Struktur einzelner Moleküle.

Die charakteristischen Eigenschaften der Elektronenorbitale sind entscheidend für praktisch alle chemischen Reaktionen, aber umgekehrt führen chemische Reaktionen auch zu dramatischen Veränderungen der Form der Orbitale. Bislang konnte diese Rückwirkung auf die Elektronenhülle – wenn Atome und Moleküle Ladungen mit ihren Nachbarn austauschen – nicht sichtbar gemacht werden.

Da Rastertunnelmikroskopie auf der Messung von Strömen basiert, benötigt sie eine leitende Unterlage. Diese lässt allerdings nur einen einzelnen stabilen Ladungszustand für ein Molekül zu. Zusätzliche Ladung würde sofort in die darunterliegende leitende Unterlage abfließen, was die mikroskopische Beobachtung des Effekts des Elektronentransfers auf die Molekülorbitale verhindert.

Man muss also Moleküle auf einer elektrisch isolierenden Unterlage untersuchen, wenn man unterschiedliche Ladungszustände studieren möchte. Dies ist prinzipiell mit der Rasterkraftmikroskopie möglich, allerdings kann dieser Typ von Mikroskopie nicht zur Messung der äußeren Elektronenhülle verwendet werden.

An der Universität Regensburg konnte nun erstmals die Rückwirkung des Elektronentransfers auf die Elektronenorbitale in Bildern festgehalten werden. Dieser Durchbruch ist einem Team internationaler Wissenschaftler um den Experimentalphysiker Professor Dr. Jascha Repp gelungen. Die Forscher kombinierten Prinzipien der Rastertunnel- und der Rasterkraftmikroskopie und entwickelten damit eine neuartige Variante.

Anstelle des üblichen Gleichstroms bei der konventionellen Rastertunnelmikroskopie schicken sie in ihrem Versuchsaufbau einen extrem schwachen Wechselstrom zwischen der atomar fein leitenden Spitze und dem zu untersuchenden Molekül. Der Wechselstrom besteht aus nur einem einzigen Elektron, das dazu gebracht wird, zwischen der Sensorspitze und dem Molekül hin- und herzuspringen.

Auf diese Weise fließt keinerlei gerichteter Strom im Mikroskop, das daher auch keine leitende Unterlage für das Molekül benötigt. Dies wiederum erlaubt es den Forschern, das Molekül in jeden gewünschten Ladungszustand zu versetzen, d. h. es ist möglich, das Molekül dazu zu bringen, entweder Elektronen abzugeben oder aufzunehmen – so wie bei einer chemischen Reaktion.

Dabei konnten Sie beobachten, dass ein zusätzliches Elektron seine Verteilung im Molekül ändert, während es sich im Molekül ausbreitet – das Elektron macht es sich gewissermaßen auf dem Molekül gemütlich.

Mit dieser neuen Methode gelang es den Wissenschaftlern so zum ersten Mal, unmittelbare Abbildungen der Veränderungen der Elektronenhülle, welche bei der Aufladung von Molekülen auftreten, zu erhalten – und dies auf der Einzelmolekülebene. Diese neuartigen mikroskopischen Einblicke in die atomaren Details des Elektronentransfers auf der Einzelorbitalebene werfen ein völlig neues Licht auf unser Verständnis von Abläufen im Bereich wichtiger chemischer Reaktionen, wie z. B. Photosynthese, Verbrennung und Korrosion.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Jascha Repp
Professur für Experimentelle und Angewandte Physik
Universität Regensburg
Tel.: 0941 943-4201
E-Mail: jascha.repp@ur.de

Originalpublikation:

Laerte L. Patera, Fabian Queck, Philipp Scheuerer and Jascha Repp, “Mapping orbital changes upon electron transfer with tunnelling microscopy on insulators”, Nature (2019).
DOI: 10.1038/s41586-019-0910-3

Christina Glaser | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-regensburg.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Die Trennung von Gas und Flüssigkeit – im Weltraum eine Herausforderung
20.03.2019 | Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM)

nachricht Kartographie eines fernen Sterns
19.03.2019 | Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam

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: Erstmals Implementierung der Gecomer<sup>®</sup>-Technologie in einem kollaborativen Roboter

Wissenschaftler des INM präsentieren erstmals einen Cobot, der mit mikrostrukturierten Oberflächen für die Handhabung von Objekten ausgestattet ist. Da diese Strukturen sehr weich sind und keine scharfen Ecken oder Kanten haben, wird das Verletzungsrisiko für den Menschen weiter reduziert.

Kollaborative Roboter sind eine neue Generation von Robotern für die direkte Zusammenarbeit mit Menschen, auch ohne Sicherheitsabstand und Schutzkäfige....

Im Focus: First implementation of Gecomer<sup>®</sup> Technology in a Collaborative Robot

Scientists at the INM present a Cobot for the first time which is equipped with microstructured surfaces for the handling of objects. Because these structures are very soft and have no sharp corners or edges, the risk of injury to humans is further reduced.

Collaborative robots are a new generation of robots for direct cooperation with humans, even without a safety distance or protective cages. Scientists at the...

Im Focus: Selbstheilender Lack aus Maisstärke lässt kleine Kratzer durch Wärme verschwinden

Ein neuer Lack aus Maisstärke ist wegen der besonderen Anordnung seiner Moleküle in der Lage, durch Wärme kleine Kratzer von selbst zu reparieren: Die Vernetzung über ringförmige Moleküle macht das Material beweglich, sodass es die Kratzer ausgleicht und diese wieder verschwinden.

Oberflächliche Mikrokratzer in der Autokarosserie oder auf anderen Hochglanzoberflächen sind harmlos, aber ärgerlich. Gerade im Luxussegment zeichnen sich...

Im Focus: Self-healing coating made of corn starch makes small scratches disappear through heat

Due to the special arrangement of its molecules, a new coating made of corn starch is able to repair small scratches by itself through heat: The cross-linking via ring-shaped molecules makes the material mobile, so that it compensates for the scratches and these disappear again.

Superficial micro-scratches on the car body or on other high-gloss surfaces are harmless, but annoying. Especially in the luxury segment such surfaces are...

Im Focus: Kartographie eines fernen Sterns

Der am Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) gefertigte Spektrograph PEPSI zeigt erste Aufnahmen der Struktur des Magnetfelds auf der Oberfläche eines weit entfernten Sterns. Mittels innovativer Verfahren lassen sich damit neue Erkenntnisse über die Vorgänge auf der Sternoberfläche gewinnen. Die Ergebnisse stellte ein Wissenschaftlerteam nun in der Fachzeitschrift Astronomy & Astrophysics vor.

Selbst mit den größten Teleskopen erscheinen die Oberflächen entfernter Sterne normalerweise nur als Lichtpunkte. Eine detaillierte Auflösung wird erst mittels...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Teilchenphysik trifft Didaktik und künstliche Intelligenz in Aachen

20.03.2019 | Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz: Ausprobieren und diskutieren

19.03.2019 | Veranstaltungen

Wissenschaftliche Tagung zur Gesundheit von Meeressäugern

18.03.2019 | Veranstaltungen

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

Haensel AMS und Universität Amsterdam starten Innovationswettbewerb für Dynamic Pricing

21.03.2019 | Förderungen Preise

Teilchenphysik trifft Didaktik und künstliche Intelligenz in Aachen

20.03.2019 | Veranstaltungsnachrichten

Mit dem Forschungsflugzeug ins ewige Eis - Meteorologen starten Messkampagne

20.03.2019 | Geowissenschaften

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