Neue Methode erlaubt Einblicke in Wechselwirkungen zwischen Molekülen

Münstersche Nanowissenschaftler entwickeln atomar definierte Mess-Spitze mit besonderer Stabilität / Abbildung molekularer Strukturen durch Rasterkraftmikroskopie

Wie die Strukturen organischer Moleküle mit ungeahnter Genauigkeit sichtbar gemacht werden können, zeigen Physiker und Chemiker der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) nun in einer im Fachmagazin „Nature Nanotechnology“ online veröffentlichten Studie. Der Schlüssel für die besondere Genauigkeit des mikroskopischen Verfahrens liegt in der hohen Stabilität einer außergewöhnlich scharfen und atomar definierten Mess-Spitze.

Übersichtsbild eines selbstorganisierten molekularen Netzwerks. Die Vergrößerung rechts zeigt ein einzelnes Molekül (Mitte), das von sechs teilweise sichtbaren Molekülen umgeben ist. Die schwachen Linien dazwischen können auf die Wechselwirkung zwischen den Molekülen zurückgeführt werden.<address>© 2018 Macmillan Publishers Limited, part of Springer Nature. All rights reserved.</address> — Übersichtsbild eines selbstorganisierten molekularen Netzwerks. Die Vergrößerung rechts zeigt ein einzelnes Molekül (Mitte), das von sechs teilweise sichtbaren Molekülen umgeben ist. Die schwachen Linien dazwischen können auf die Wechselwirkung zwischen den Molekülen zurückgeführt werden.
© 2018 Macmillan Publishers Limited, part of Springer Nature. All rights reserved.

Den neuen Ansatz, mit dem die strukturellen und chemischen Eigenschaften von organischen Molekülen mit höchster Präzision abgebildet werden können, haben die Wissenschaftler vom Fachbereich Physik der WWU in den Laboren des Center for Nanotechnology (CeNTech) in Münster entwickelt. Die Methode basiert auf der Rasterkraftmikroskopie, bei der Probenoberflächen mit einer atomar feinen Spitze „abgetastet“ und somit abgebildet werden können. Dr. Harry Mönig, federführender Autor der Studie, erklärt: “Die Besonderheit ist, dass wir die Mess-Spitze aus Kupfer mit einem einzelnen Sauerstoffatom chemisch passivieren.” Passivieren bedeutet hier: Das Sauerstoffatom verhindert unerwünschte Wechselwirkungen der Mess-Spitze mit den Atomen der Probenoberfläche. Im Gegensatz zu bisher etablierten Verfahren ist das Sauerstoffatom besonders stabil an die Mess-Spitze gebunden, wodurch Abbildungsartefakte auf ein Minimum reduziert werden können.

Prof. Dr. Harald Fuchs, Ko-Autor der Studie, betont: „Das Potenzial der neu entwickelten Methode ist beträchtlich. So kann man nun die Bindungsstrukturen molekularer Netzwerke mit ungeahnter Genauigkeit untersuchen.“ Dies erlaube detaillierte Einblicke in die Wechselwirkungen, die zwischen Molekülen auftreten. Das Wissen um diese Wechselwirkungen sei besonders wichtig für die Entwicklung neuer sogenannter nanostrukturierter Materialien. Bei diesen Materialien nutzt man das Phänomen, dass schon winzige Unterschiede auf der Nanoskala die Materialeigenschaften deutlich verändern können. Besonders klar ist dieser Effekt zum Beispiel beim Vergleich zwischen Diamant, der sehr hart ist, und dem relativ weichen Grafit. Beide Materialien bestehen aus reinem Kohlenstoff. Allein die Anordnung der Kohlenstoff-Atome und ihre Bindung untereinander sind unterschiedlich.

Gefördert wurden die Arbeiten durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).

Originalveröffentlichung:

Harry Mönig, Saeed Amirjalayer, Alexander Timmer, Zhixin Hu, Lacheng Liu, Oscar Díaz Arado, Marvin Cnudde, Cristian Alejandro Strassert, Wei Ji, Michael Rohlfing and Harald Fuchs (2018): Quantitative assessment of intermolecular interactions by atomic force microscopy imaging using copper oxide tips. Nature Nanotechnology, Published online: 09 April 2018, DOI: 10.1038/s41565-018-0104-4

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