Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 19.03.2015

Neues Verfahren mit Rasterkraftmikroskop

Metallcluster, die nur aus wenigen Eisenatomen aufgebaut sind, konnten jetzt erstmals mit subatomarer Auflösung abgebildet werden. Forscher der Universität Regensburg und der Ludwig-Maximilians-Universität München nutzten dazu ein Rasterkraftmikroskop. Die Abbildungen der Cluster zeigen sowohl deren interne Struktur als auch die atomare Anordnung auf einer dicht gepackten Kupferoberfläche. Cluster aus Eisenatomen sind für die Entwicklung von Kleinstmagneten oder für die Abgasreinigung in Katalysatoren von großer Bedeutung. Die neuen Forschungsergebnisse sind in der renommierten Fachzeitschrift „Science“ (DOI 10.1126/science.aaa5329) erschienen.

Die Entwicklung der Rasterkraftmikroskopie hat in den letzten Jahren zu enormen Fortschritten im Bereich der Nanowissenschaften geführt. Sie ermöglicht eine detaillierte Abtastung von Oberflächen. Dies geschieht allerdings nicht optisch wie bei einem Lichtmikroskop, sondern durch mechanisches Abtasten – ähnlich dem Lesen von Blindenschrift. So kann ein Rasterkraftmikroskop einzelne Atome auf einer Oberfläche sichtbar machen. Bis jetzt konnten Atome allerdings nur als einzelne Hügel ohne weitere Struktur abgebildet werden. Dasselbe galt bislang für Cluster: Hier lieferte lediglich die Höhe der Hügel Rückschlüsse über die Zahl der beinhalteten Atome.

Die Forscher um Prof. Dr. Franz J. Gießibl vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg haben nun einzelne Eisenatome und Cluster aus wenigen Eisenatomen untersucht. Die begleitende theoretische Basis für ihre Versuche haben Forscher um PD Dr. Diemo Ködderitzsch und Prof. Dr. Hubert Ebert vom Department Chemie der LMU München gelegt. So haben sie mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie auf quantenphysikalischen Grundlagen unter anderem berechnet, wie sich die Eisenatome im Cluster auf der Kupferoberfläche vorzugsweise ausrichten.

Kalkulation und Experiment bestätigten sich gegenseitig. Die neuen Aufnahmen zeigen Eisenatome als klar abgrenzbarer Ring mit drei Erhebungen. Mit dem Verfahren ist es somit möglich, die Form der Elektronenhülle jedes Atoms zu „sehen“ und auch abzuzählen, wie viele Atome in einem Cluster vorhanden sind. Zudem geben die neuen Bilder Einblicke in die Bindungssymmetrie der Eisenatome.

Gießibl gilt als Pionier der Rasterkraftmikroskopie. Er ist der Erfinder des sogenannten qPlus Sensors, einem auf einem Quarzfederbalken basierenden hochempfindlichen Sensor für die Kraftmikroskopie. Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern seines Lehrstuhls arbeiten schon länger mit Forschern der LMU München im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) 689 „Spinphänomene in reduzierten Dimensionen“ zusammen.

Titel des Originalartikels:
Sub-Atomic Resolution Force Microscopy Reveals Internal Structure and Adsorption Sites of Small Iron Clusters, in “Science” (2015)

Externer Link: www.uni-regensburg.de

Presseinformation der LMU München vom 11.03.2015

Winzige Glaskügelchen mit einer goldenen Hälfte: LMU-Wissenschaftler entwickeln Nanoteilchen, die sich mit einem Laserstrahl äußerst präzise bewegen lassen – fast wie in einem Aufzug.

Der doppelgesichtige römische Gott Janus ist ihr Namensgeber: Sogenannte Janus-Partikel sind winzige Nano-Teilchen mit zwei sehr unterschiedlichen Seiten. Einem Team um Professor Jochen Feldmann und Dr. Alexander Urban, LMU-Physiker und Mitglieder des Exzellenzclusters NIM (Nanosystems Initiative Munich), gelang nun die Herstellung von Janus-Partikeln, die dank ihrer speziellen Eigenschaften mit noch nie erreichter Präzision in einem Laserstrahl bewegt werden können.

Wird ein Laserstrahl durch das Objektiv eines Mikroskops fokussiert, wirkt er wie eine optische Pinzette und hält Nanopartikel an dem Punkt fest, an dem das Licht gebündelt wird. Das funktioniert mithilfe von Kräften, die durch die Streuung des Lichts am Partikel hervorgerufen werden. „Diese Partikel nicht nur festzuhalten, sondern auch gezielt zu bewegen, ist für viele Anwendungen, etwa für die Analyse flüssiger Proben mithilfe sogenannter Mikrofluidik-Chips, sehr wünschenswert“, sagt Urban. „Die Nutzung von optischen Pinzetten für solche Anwendungen war bisher aber nur begrenzt möglich, weil die Position und die Bewegungsrichtung der Teilchen nur unzureichend kontrolliert werden konnten.“

Goldüberzug macht mobil

Diese Begrenzung konnte Urbans Team nun aufheben. Der Trick: Die Wissenschaftler überzogen Nano-Glaskügelchen zur Hälfte mit einer hauchdünnen Goldschicht. „Die Goldschicht ist nur fünf Nanometer dick, also etwa 20-mal dünner als Blattgold“, sagt Urban. Die goldüberzogene Seite der so erzeugten Janus-Partikel wird durch den Laserstrahl erwärmt, während die gläserne Seite kein metallischer Leiter ist und nicht auf den Laser reagiert. Schwimmt ein solches Janus-Teilchen im Wasser, entsteht durch die Erwärmung der goldenen Seite ein Temperaturgefälle, durch das sich das Teilchen nach oben zum Laser hin bewegt.

Laserstärke kontrolliert Bewegung

Welchen Kurs es dabei nimmt und welche Strecke es zurücklegt, bestimmt ein komplexes Zusammenspiel der Kräfte, die auf das Teilchen wirken: Die Streukräfte kontrollieren die Ausrichtung des Teilchens im Raum und halten es im Laserstrahl, während die Intensität des Lasers den Grad der Erwärmung und damit die in der dritten Dimension zurückgelegte Strecke steuert. Durch eine Veränderung der Laserstärke können die Wissenschaftler das Janus-Teilchen deshalb wie mit einem Aufzug im Laserstrahl auf und ab bewegen: Wird die Laserstärke erhöht, bewegt sich das Teilchen aufwärts, wird sie schwächer, sinkt das Teilchen wieder.

„Die neue Technik erlaubt uns eine noch nie erreichte Kontrolle über die Partikelbewegung und hat viele interessante Einsatzmöglichkeiten“, sagt Urban. In einem nächsten Schritt gelang es den Wissenschaftlern bereits, eine goldene Nano-Kugel gemeinsam mit dem neuen Janus-Teilchen im Laserstrahl einzufangen und die Entfernung zwischen den beiden Partikeln zu kontrollieren. „Das macht unseren Laserstrahl-Aufzug zu einem vielversprechenden Werkzeug sowohl für die Grundlagenforschung als auch für viele praktische Anwendungen. Denkbar wäre etwa ein Nano-Kraftmessgerät, bei dem ein Molekül zwischen die beiden Partikel gespannt und mithilfe des Lasers gemessen wird, welche Kraft man braucht um die Partikel auseinanderzuziehen“, sagt Urban. (göd)

Publikation:
ACS Photonics 2015

Externer Link: www.uni-muenchen.de