Was Atome zusammenhält: Physiker enthüllen Symmetrie chemischer Bindungen
Physikern der Universität Regensburg gelingt die quantitative Messung der Symmetrie von Bindungskräften auf atomarer Ebene mit höchster Präzision. Das Messverfahren lässt sich für weitere Untersuchungen der Nanowelt gezielt modifizieren. Auf dieser Grundlage kann nun von der Bindungsenergie auf die chemische Identität eines zu untersuchenden Atoms geschlossen werden. Ein „Atlas“ der Kräftewirkungen im atomaren Bereich ist für die Zukunft denkbar.
Oben: Drei kubusförmige Salzkörner, von denen das linke auf einer Seitenfläche liegt, das mittlere auf einer Kante steht und das rechte auf der Spitze steht. Die würfelförmige Struktur von Kochsalz kommt von der Symmetrie der Bindungen, die Natrium und Chlor zusammenhalten. Unten: Experimentell gemessene Stärken chemischer Bindungen zwischen einem Wolframatom (kubische Bindungssymmetrie) und einem Kohlenmonoxidmolekül, bei denen das Wolframatom genau so orientiert ist wie die Salzkörner darüber. Das Wolframatom weist nur etwa ein Millionstel des Durchmessers eines Salzkorns auf.
Universität Regensburg
Chemische Bindungen sichern den Zusammenhalt zwischen den Atomen in Molekülen und festen Körpern. Die chemischen Bindungskräfte bestimmen dabei den Aufbau der Moleküle und die Anordnung der einzelnen Atome zueinander (Winkelabhängigkeit). Beispiele sind die Struktur von Salz- und Zuckerkörnern oder die Form der Eisblumen, die im Winter mühsam vom Autofenster gekratzt werden müssen. Die Winkelabhängigkeit der einzelnen Atome eines Moleküls ist schon seit längerer Zeit bekannt, wurde aber bislang noch nicht mit hoher Präzision im Experiment untersucht. Dies wäre jedoch von fundamentaler Bedeutung, um die allgemeinen Eigenschaften und das Verhalten chemischer Bindungen besser verstehen zu können.
Forschern der Universität Regensburg ist jetzt in diesem Zusammenhang ein bedeutender Durchbruch gelungen. Dipl.-Physiker Joachim Welker und Prof. Dr. Franz J. Giessibl vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik konnten die Symmetrie von Bindungskräften auf atomarer Ebene quantitativ messen. Die Wissenschaftler analysierten dazu die Winkelabhängigkeit der chemischen Bindungskräfte zwischen einem Kohlenstoffmonoxid-Molekül, das auf einer Kupferoberfläche anhaftete, und der metallenen Spitze einer Kombination aus Rasterkraftmikroskop und Rastertunnelmikroskop.
„Mit unseren Untersuchungen haben wir die atomare Symmetrie chemischer Verbindungen zwischen einzelnen Atomen eines Moleküls mit höchster Präzision bestimmt“, erklärt Giessibl. Und mehr noch: Die Regensburger Physiker sind auch in der Lage, die Sondenspitze ihres Mikroskops für ähnliche Untersuchungen systematisch zu modifizieren.
Der Umstand, dass die „Bindungsärmchen“ des vordersten Atoms der Mikroskopspitze gezielt ausgerichtet werden können, macht nun weitere Untersuchungen der Nanowelt möglich, die bis dahin nicht denkbar waren.
„Möglich wäre sogar, dass wir auf dieser Grundlage einen „Atlas“ der Kräftewirkungen im atomaren Bereich erarbeiten können“, bemerkt Welker. So sind die Regensburger Forscher derzeit dabei, ihre Untersuchungen auf andere Materialkombinationen auszudehnen. Welker dazu: „Wir können jetzt von der Bindungsenergie auf die chemische Identität eines zu untersuchenden Atoms schließen. Nach dem Motto: Wenn diese Kraft vorherrscht, dann muss es beispielsweise Wolfram oder Kupfer sein.“
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