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Nr. 85, 23.01.2016  voriger  Übersicht  weiter  REIHEN  SUCHE 

Bilder aus der Quantenwelt

Keine andere Methode hat die Erforschung des Nanokosmos stärker geprägt als die Rastertunnelmikroskopie. In Kiel nutzen Forschende diese Technik, um Atome zu verschieben und Filme mit ihnen zu drehen.


Mithilfe des sehr empfindlichen Video-Rastertunnelmikroskops von Olaf Magnussen entstehen einzigartige Filme von atomaren Bewegungen. Foto: Schimmelpfennig

Bis vor rund 30 Jahren war die Möglichkeit, Atome zu sehen, ein wissenschaftlicher Traum. Wirklichkeit wurde er durch die Entwicklung des Rastertunnelmikroskops, welches die Grenzen von Lichtmikroskopen sprengte und Strukturen auf Atomskala für das menschliche Auge freilegte.Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzen für diese Technik ein physikalisches Phänomen aus der Quantenwelt aus, den Tunneleffekt. In diesen kleinen Dimensionen können Elementarteilchen wie Elektronen als Teilchen oder Welle auftreten. Sie können daher mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit Barrieren durchdringen. Je dünner eine Barriere ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass Teilchen sie überwinden können. Während Menschen also einen Hügel erklimmen müssten, um auf die andere Seite zu gelangen, könnten Elektronen quasi einen imaginären Tunnel nutzen. Allerdings greift dieser Effekt nur auf Längen von Nanometern – das sind millionstel Meter.

Beim Rastertunnelmikroskop funktioniert das so: Eine extrem feine Metallnadel wird über das untersuchte Material bewegt. Der Abstand der Nadelspitze zur Oberfläche ist dabei so gering, dass Elektronen zwischen Oberfläche und Nadel »tunneln« können – bei anliegender Spannung fließt dann ein Strom. Das Mikroskop misst diesen Strom und benutzt ihn, um die Nadel auf immer gleichem Abstand zu halten. Linie für Linie wird der Untersuchungsgegenstand abgerastert, um ein präzises Relief der Oberfläche zu erhalten. Dies geht so genau, dass das Auflösungsvermögen klassischer Lichtmikroskope um das Tausendfache übertroffen werden kann und selbst die Atome eines Materials sichtbar werden. Es entstehen computergenerierte Mikroskopbilder, die faszinierende Landschaften von ganz eigener Ästhetik zeigen.

Willkommen im Nanokosmos: Die Strukturen auf der Ober­fläche einer Goldelektrode sind nur wenige Millionstel Meter groß Foto: AG Magnussen

1986 gab es für die Entwicklung dieser Methode den Physik-Nobelpreis für Heinrich Rohrer und Gerd Binnig. Mit ihrer Erfindung schenkten sie der Wissenschaft völlig neue Einblicke in den Nanokosmos. Weil sie relativ einfach und kostengünstig ist, setzen Forschende die Technik heute weltweit routinemäßig für ihre Analysen ein. Sehr viele unterschiedliche Materialien können mit ihr untersucht werden. Einzige Voraussetzung: Sie müssen elektrisch leitfähig sein. Der Strom gibt aber noch mehr preis als die bloße Topographie einer Oberfläche: chemische Zusammen­setzungen, magnetische Eigenschaften des Materials oder Molekülschwingungen zum Beispiel.

Im Kieler Institut für Experimentelle und Angewandte Physik weiß man noch viel mehr mit der Technik anzufangen. Die Raster­tunnel­mikroskopie kann nämlich – im Gegensatz zu vielen anderen Methoden der Nanowissenschaften – auch in Gasen oder Flüssig­keiten eingesetzt werden. Dies ermöglicht Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern chemische Prozesse zu enträtseln. Dazu gehört, wie sich Atome beim Rosten eines Metalls ablösen und was genau in Batterien und Brennstoffzellen passiert. Atome bewegen sich jedoch in Milli­sekunden, was es schwer macht, die Vorgänge direkt zu beob­achten. Das Team um Professor Olaf Magnussen hat deshalb ein Highspeed-Mikroskop gebaut.

»Wir drehen Filme von atomaren Bewegungen«, sagt der Physiker. 20 Bilder pro Sekunde schafft sein Video-Rastertunnelmikroskop, fast so viele wie ein Kinofilm. Das Setting sind Grenzflächen zwischen Festkörpern und Flüssigkeiten. Magnussen kann genau sehen, wie Atome dort auf Oberflächen hin und her hüpfen. So fand er beispielsweise heraus, wie die Oberfläche einer Goldelektrode durch elektrische Spannung umgeordnet werden kann. »Die oberste Atomschicht ist dabei erstaunlich beweglich und formt wunderschöne Nanostrukturen«, sagt Magnussen. Atome können in Kiel aber nicht nur gesehen und analysiert, sondern auch gezielt manipuliert werden.

In der auf Rastertunnelmikroskopie spezialisierten Arbeitsgruppe von Professor Richard Berndt bewegen die Forschenden hierzu einzelne Atome oder Moleküle auf einer Oberfläche mit der Metallnadel des Mikroskops und untersuchen ihre Eigenschaften, zum Beispiel ihre elektrische Leitfähigkeit. Einen ganz konkreten Nutzen hätte das beim Bau von atomaren Speicher­bausteinen. Die Bilder, die weltweit durch die verschiedenen Experimente mit diesem speziellen Mikroskop entstehen, lassen sich mittlerweile in vielen (Online-)Galerien bestaunen und haben sogar Eingang in die kunsthistorische Betrachtung gefunden.

Denis Schimmelpfennig


Die Filme aus der AG Magnussen können in der »Atomic Movie Library« unter folgendem Link angesehen werden: www.atomic-movies.uni-kiel.de
Bildergalerie: www.nobelprize.org/educational/physics/microscopes/scanning/gallery
Neue Serie
So wie die Rastertunnelmikroskopie unentbehrlich für die Erforschung von Nanostrukturen ist, gibt es eine Vielzahl von naturwissenschaftlichen Forschungsmethoden, die als Schlüs­sel­technologien für den wissenschaftlichen Fortschritt gelten. Mit diesen »Techniken und Werkzeugen der Wissenschaft« befassen sich die Artikel der neuen unizeit-Reihe.
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