Aktuelles: Seitw?rtige Abbildung der Moleküle

Forscher*innen der Universit?t Regensburg und der Technischen Universit?t Graz haben gezeigt, dass Wasserstoffatome an den Seiten von Molekülen, die auf einer Oberfl?che liegen, direkt abgebildet werden k?nnen. Die Studie, die kürzlich in der Zeitschrift ?Proceedings of the National Academy of Sciences“ ver?ffentlicht wurde, beschreibt, dass durch einen Blick neben die Moleküle die Position und das Vorhandensein von den zuvor verborgenen Wasserstoffatomen aufgedeckt werden kann.

Wasserstoffatome, die sich an den Au?enseiten von Molekülen befinden, beeinflussen viele Eigenschaften dieser Moleküle, darunter auch ihre Wechselwirkung mit anderen Molekülen. Wasserstoffbrückenbindungen sind eine der h?ufigsten Formen molekularer Wechselwirkungen, bei denen ein positiv geladenes Wasserstoffatom an der Seite eines Moleküls von einem negativen Atom in einem benachbarten Molekül angezogen wird. Wasserstoffbrücken sind von gro?er Bedeutung im Bereich der Oberfl?chensynthese, bei der Moleküle zun?chst auf einer Oberfl?che absorbiert werden und dann miteinander reagieren. Doch trotz ihrer Bedeutung waren direkte Beobachtungen dieser kleinen, aber wichtigen Atome bisher kaum m?glich.
Um die Seiten von Molekülen sichtbar zu machen, verwendeten die Forscher*innen eine spezielle Technik, die von der Rasterkraftmikroskopie (AFM) abgeleitet ist. Bei der AFM-Messungen wird eine scharfe Spitze in die N?he einer Oberfl?che gebracht und die auf die Spitze wirkenden Kr?fte aufgezeichnet, w?hrend sie sich über die Oberfl?che bewegt. Frühere AFM-Experimente konzentrierten sich auf die vertikale Komponente der Kraft und konnten deshalb die Wasserstoffatome an den Seiten der Moleküle nicht erkennen. Um diese Einschr?nkung zu überwinden, setzten die Forscher*innen die Lateralkraftmikroskopie (LFM) ein, welche die horizontalen Kr?fte misst die auf die AFM-Spitze einwirken. PD Dr. Alfred J. Weymouth aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Franz J. Gie?ibl, Inhaber der Lehrstuhls für Quanten-Nanowissenschaften an der UR, ist ein führender Experte auf dem Gebiet von LFM. Er hob deren einzigartige F?higkeiten hervor und erkl?rte: ?Trotz der Tatsache, dass sie noch nicht weit verbreitet ist, bietet LFM mehrere Vorteile gegenüber des konventionellen AFM, darunter eine au?ergew?hnliche Abstandsempfindlichkeit, die es erm?glicht, physikalische Parameter aus einem einzigen Bild zu extrahieren und die F?higkeit Reibungskr?fte zu quantifizieren, indem ein einzelnes Atom über chemische Bindungen geschoben wird.“

Durch die Messung der lateralen Kraft, die auf die AFM-Spitze an den R?ndern der Moleküle ausgeübt wird, konnten Dr. Weymouth und seine Mitarbeiter*innen die Wasserstoffatome direkt erkennbar machen. Die Rohdaten aus den Experimenten konnten direkt mit theoretischen Berechnungen verglichen werden, was zu einem besseren Verst?ndnis der atomaren Wechselwirkungen führte. W?hrend Atom-Atom-Wechselwirkungen h?ufig mit vereinfachten, abstandsabh?ngigen Funktionen modelliert werden, zeigte der Vergleich dieser Modelle mit den experimentellen Daten die Grenzen dieser N?herungen auf und machte deutlich, wie wichtig es ist, zus?tzliche Faktoren in diese theoretischen Rahmenwerke einzubeziehen. 
{web_name}e Erkenntnisse sind sowohl für AFM- als auch für LFM-Untersuchungen wertvoll, da sie den Forscher*innen erm?glichen, ihr Verst?ndnis grundlegender atomarer Wechselwirkungen zu verfeinern.
Die M?glichkeit, Wasserstoffatome direkt zu beobachten, stellt einen bedeutenden Durchbruch für die Forschung dar und bietet ein leistungsf?higes Instrument, um die komplizierten Mechanismen und Zwischenschritte chemischer Reaktionen an Oberfl?chen aufzukl?ren. {web_name}er Durchbruch birgt ein immenses Potenzial für Fortschritte in verschiedenen Bereichen, einschlie?lich der Oberfl?chenkatalyse und der molekularen Wechselwirkungen im menschlichen K?rper. Die Entwicklung dieser neuartigen Technik erweitert unser Verst?ndnis der mikroskopischen Welt   und er?ffnet neue Wege für Forschung und Innovation. Durch die direkte Visualisierung des Verhaltens von Wasserstoffatomen k?nnen Forscher tiefere Einblicke in die grundlegenden Prozesse gewinnen, die die Wechselwirkungen von Molekülen bestimmen und so den Weg für transformative Fortschritte in verschiedenen Bereichen ebnen.

?ber die Universit?t Regensburg und die Technische Universit?t Graz

Die Fakult?t für Physik der Universit?t Regensburg ist eine der führenden Forschungseinrichtungen in Deutschland mit einem starken Schwerpunkt auf der Physik der kondensierten Materie. Professor Gie?ibl leitet den Lehrstuhl für Quanten-Nanowissenschaften, in der die experimentellen Arbeiten durchgeführt wurden. Professor Hofmann leitet die ?Simulation-Driven Material Discovery Group“ an der Technischen Universit?t Graz, wo die theoretischen Berechnungen durchgeführt wurden.

Originalpublikation:
Nam, Shinjae; Riegel, Elisabeth; H?rmann, Lukas; Hofmann, Oliver T.; Gretz, Oliver; Weymouth, Alfred J.; Giessibl, Franz J.: ?Exploring in-plane interactions beside an adsorbed molecule with lateral force microscopy” (2024), Proceedings of the National Academy of Sciences, doi:10.1073/pnas.2311059120;
https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2311059120 (externer Link, ?ffnet neues Fenster)