Physik: Mikroskop zeigt Ladungsverteilung in Molekül

Man kennt die Ladungswolken aus dem Chemieunterricht: Elektronen umschwirren Atome - und wenn sich mehrere Atome einander nähern, verbinden sie sich zu einem Molekül. Diese Ladungsverteilung haben nun Wissenschaftler des IBM-Forschungslabors in Rüschlikon bei Zürich sichtbar gemacht. Sie nutzten dafür ein sogenanntes Raster-Kelvin-Mikroskop.

Bei diesem Mikroskop wird das zu untersuchende Objekt wie bei einem Rasterkraftmikroskop mit einer Spitze abgetastet. Diese Spitze steht dabei jedoch unter geringer Spannung. Befindet sich die Spitze in der Nähe von Elektronen innerhalb des Moleküls, dann beginnt sie zu wackeln. Die Bewegung der Spitze erlaubt Rückschlüsse über die Ladungen in ihrer Nähe.

Fabian Mohn und seine Kollegen untersuchten das Molekül Naphthalocyanine, eine organische Verbindung, die aus 48 Kohlenstoff-, 26 Wasserstoff- und 8 Stickstoffatomen besteht. Auf den im Fachblatt "Nature Nanotechnology" publizierten Bildern ist die Molekülstruktur gut zu erkennen. Die Ladungswolken verraten, wo sich die Atome in dem symmetrisch aufgebauten Molekül befinden.

Während der Messungen herrschten Temperaturen von 5 Kelvin, was minus 268 Grad Celsius entspricht. Die Vermessung eines Naphthalocyanine-Moleküls dauerte bis zu 33 Stunden. Erstmals sei es gelungen, die Ladungsverteilung innerhalb eines Moleküls aufzulösen, schreiben die Forscher. Ein genaues Bild davon könne hilfreich sein, wenn es um die Entwicklung von kleinen Transistoren in der Größe eines Moleküls oder von Solarzellen aus organischem Material gehe.

Bilder von Atomen und Molekülen können sich Physiker schon seit Jahrzehnten machen - unter anderem mit dem 1981 ebenfalls in Rüschlikon entwickelten Rastertunnelmikroskop. Ein solches Mikroskop fährt die zu untersuchende Oberfläche mit einer elektrisch leitenden Spitze ab, ohne diese zu berühren. Dabei fließt ein sogenannter Tunnelstrom. Beim Abrastern der Oberfläche wird der Abstand zwischen Oberfläche und Spitze so angepasst, dass der Strom konstant bleibt. Der deutsche Physiker Gerd Binnig und sein Schweizer Kollege Heinrich Rohrer bekamen für die Erforschung des abstandsabhängigen Tunnelstromes 1986 den Physik-Nobelpreis.

Rasterkraftmikrosokope tasten Oberflächen ebenfalls mit einer nanoskopisch kleinen Nadel ab. Diese steht jedoch nicht unter Spannung. Gemessen wird dann, wie sehr sich die Nadel durch atomare Kräfte verbiegt, die von der Oberflächenstruktur ausgehen. Mit einem Rasterkraftmikroskop konnten IBM-Forscher 2009 erstmals ins Innere von Molekülen schauen. Ladungsverteilungen lassen sich jedoch weder mit Rastertunnel- noch mit Rasterkraftmikroskopen sichtbar machen. Dies ist erst Fabian Mohn und seinem Team mit dem Raster-Kelvin-Mikroskop gelungen.