Ammoniakmoleküle werden mobil

Berliner Max-Planck-Forschern ist es gelungen, mit dem Rastertunnel-Mikroskop einzelne Moleküle in einer chemischen Reaktion gezielt zu steuern ein Schlüsselschritt für die Selektive Chemie

16. Juni 2003

Den Ablauf einer chemischen Reaktion steuern zu können, ist seit langem ein Traum in der Chemie. Erwünschte Produkte könnten mit höherer Ausbeute erzeugt und unerwünschte, möglicherweise sogar schädliche Nebenprodukte gleichzeitig reduziert werden. Dazu müssen jedoch die atomaren Bindungen eines Moleküls gezielt geschwächt oder aufgebrochen werden und neue, gewünschte chemische Bindungen sich bilden. Wissenschaftlern des Berliner Fritz-Haber-Institut ist es jetzt gelungen, mit einem Rastertunnelmikroskop (RTM) den Ablauf einer chemischen Reaktion zu steuern. Dazu führten die Forscher die RTM-Spitze sehr nah über einzelne Ammoniakmoleküle auf einer Kupferoberfläche. Je nach Anregungsenergie regten sie auf diese Weise unterschiedliche Molekül-Schwingungen an, auf die die Moleküle dann ganz unterschiedlich reagierten: In dem einen Fall bewegten sich die Moleküle frei auf der Oberfläche hin und her, in dem anderen Fall löst sich das Molekül von der Oberfläche und flog davon. Damit ist es erstmals gelungen, mit Hilfe eines Rastertunnelmikroskops gezielt unterschiedliche Kanäle einer chemischen Reaktion zu aktivieren bzw. zu unterdrücken (Nature, 29. Mai 2003).

Eine der großen wissenschaftlichen Herausforderungen besteht heute darin, chemische Reaktionen bis in die kleinsten Reaktionsschritte, die auf atomarem Maßstab von weniger als 1 Millionstel Millimeter ablaufen, gezielt steuern zu können. Erst durch ein besseres Verständnis und die Kontrolle dieser atomaren Prozesse können sich die Nanotechnologie, aber auch die klassischen Materialwissenschaften weiterentwickeln. Damit ein Katalysator eine gewünschte chemische Reaktion in Gang bringen kann, müssen die Reaktionspartner zunächst eine chemische Bindung mit seiner Oberfläche eingehen und diese später wieder lösen. Doch wie der Katalysator dabei seine Wirkung im Detail entfaltet, ist bislang kaum erforscht.

Rastertunnelmikroskopie-Bilder der Kupferoberfläche mit adsorbierten Ammoniakmolekülen. Diese erscheinen als Hügel mit einer Höhe von etwa 0,1 nm (1 Zehnmillionstel Millimeter). Die linke Abbildung zeigt einen Ausschnitt mit drei Molekülen. Für das Experiment wird die Tunnelspitze genau über einem Ammoniakmolekül positioniert und eine spezielle Kombination von Spannung und Strom verwendet, wobei Elektronen in einem Tunnelprozess durch das Molekül hindurch in die Probe übergehen. Einige dieser Elektronen können charakteristische Schwingungen des Molekülgerüsts anregen, wodurch nachfolgende Reaktionen eingeleitet werden. Diese können als Translations- oder Desorptionsprozesse auftreten. In der rechten Abbildung ist dieser Vorgang an jedem adsorbierten Molekül durchgeführt worden. Die oberen beiden Moleküle sind nach links gewandert, das untere Molekül ist verschwunden, d.h. desorbiert. Für beide Arten von Prozessen muss die chemische Bindung zwischen dem Stickstoffatom des Ammoniak und den unterliegenden Kupferatomen aufgebrochen werden. Da aber zwei unterschiedliche Schwingungen angeregt wurden, handelt es sich um zwei deutlich verschiedene Elementarreaktionen.

Rastertunnel-Mikroskope ermöglichen es heute, einzelne Atome und Moleküle auf Oberflächen abzubilden. Dazu führt man eine feine metallische Abtastspitze so nah an die Oberfläche heran, dass Elektronen zwischen der Spitze und der Oberfläche "tunneln" können und ein elektrischer Strom fließt. Rastert man diese Oberfläche mit der Spitze Zeile für Zeile ab, kann man aus dem gemessenen Tunnelstrom mit Hilfe des Computers ein genaues Abbild der Oberfläche gewinnen. Diese hochauflösende "Luftaufnahme" zeigt Details bis hin zu einzelnen Atomen. Diese Schnappschüsse ermöglichen letztlich auch die Beobachtung, wie sich Moleküle oder Atome auf der Oberfläche - durch den Zufluss von Wärmeenergie - bewegen und miteinander wechselwirken.

Doch das Rastertunnelmikroskop ist heute weit mehr als nur ein Beobachtungsinstrument. In jüngster Zeit ist es gelungen, mit dem RTM auch dynamische Prozesse gezielt, also nicht der zufälligen thermischen Bewegung folgend, in Gang zu setzen. Dabei konnten bereits einzelne Teilchen mitgeführt (Diffusion) oder die chemische Bindung in Molekülen gezielt gebrochen werden (Dissoziation). Hierbei wurde bereits klar, dass Elektronen beim Tunneln zwischen Abtastspitze und Oberfläche die dort befindlichen Moleküle zu Schwingungen anregen können. Diese Anregungen erfolgen allerdings nach den Gesetzen der Quantenphysik in ganz bestimmten Energiepaketen (Quanten), die dann zu ganz konkreten Schwingungsformen der Moleküle führen.

Genau dieses Phänomen haben sich nun Forscher am Berliner Fritz-Haber-Institut um J.I. Pascual (er setzt jetzt seine Arbeit in Barcelona fort) und H.-P. Rust zu Nutze gemacht. Als Beobachtungsobjekte nutzten sie einzelne Ammoniak-Moleküle, die pyramidenförmig aufgebaut aus einem zentralen Stickstoff-Atom und drei Wasserstoff-Atomen bestehen. Um thermische Bewegungen der Moleküle zu unterdrücken, die die Messungen überlagern würden, führten sie ihre Experimente bei sehr tiefen Temperaturen (minus 268 Grad) durch. Den Tunnelstrom des RTM steuerten sie derart, dass zwei verschiedene Schwingungsformen eines Ammoniakmoleküls angesprochen wurden, das an der Kupferoberfläche angelagert war. Je nach dem, welche der beiden Schwingungsarten angeregt wurde, reagierte das Ammoniakmolekül anschließend ganz unterschiedlich (siehe Abb. 1).

Schematische Veranschaulichung der zwei beobachteten mikroskopischen Prozesse. Im oberen Teil wird illustriert, wie durch die Anregung eines Quantums der Streckschwingung eine Translation erzeugt wird. Dies geschieht durch Umlagerung der Energie in die Biegeschwingung, die letztendlich zu einem Platzwechsel führt. Ein Energiequant dieser Schwingung besitzt hinreichend Energie, um die sogenannte Diffusionsbarriere zu überwinden. Im unteren Teil der Abbildung wird die Biegeschwingung direkt angeregt, deren Energie bei einzelner Anregung aber nicht ausreicht, eine Desorption einzuleiten. Im Experiment zeigte sich, dass mindestens drei Anregungsquanten notwendig sind, die eine Inversion des Molekülgerüsts bewirken (unteres Bild, mitte), woraus die Loslösung von der Probenoberfläche (Desorption) resultiert.
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