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Chemische Reaktion zu Graphen im Fokus

Elektronen unter Beobachtung per Orbitaltomographie

| Autor/ Redakteur: Tobias Schlößer* / Christian Lüttmann

Einen chemischen Stoff zu analysieren, ist heutzutage in der Regel kein Problem. Schwieriger wird es, wenn die kurzlebigen Zwischenprodukte einer Reaktion beschrieben werden sollen. Forscher der Universität Graz und des Forschungszentrums Jülich haben nun eine Reaktion zu Graphen mit moderner Technik analysiert – und sich wortwörtlich ein Bild von der Elektronenverteilung während der Reaktion gemacht.

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Experimentell bestimmte Orbitale von Bisanthene bei verschiedenen Energien
Experimentell bestimmte Orbitale von Bisanthene bei verschiedenen Energien
(Bild: Forschungszentrum Jülich / Serguei Soubatch)

Graz/Österreich, Jülich – Messverfahren, die den exakten Zustand von Zwischenprodukten einer chemischen Reaktion beschreiben, gelten als Heiliger Gral in der Analytischen Chemie. „Eine besondere Herausforderung ist die Bestimmung von Reaktionsprodukten auf Oberflächen. Etablierte Methoden liefern hier oft keine eindeutigen Ergebnisse“, sagt Peter Puschnig vom Institut für Physik der Universität Graz.

Bereits vor zehn Jahren haben Forscher aus Jülich und Graz mit der Orbitaltomographie eine Methode entwickelt, mit der man den wahrscheinlichen Aufenthaltsort von Elektronen in Atomen oder Molekülen mathematisch rekonstruieren kann. So lassen sich Elektronenorbitale in Molekülen sichtbar machen. Nun ist das Verfahren so weit gereift, dass man damit den Verlauf einer chemischen Reaktion auf einer Kupferoberfläche mitsamt allen Zwischenprodukten abbilden kann. Mit dieser Methode untersuchten die Wissenschaftler nun erstmals die thermisch induzierte Reaktion des Moleküls Di-Brom-Bianthrazen auf einer Kupferoberfläche.

Identität von Nanographen endgültig geklärt

Bisher war lediglich bekannt, dass hier bei Temperaturen von rund 700 °C Graphen entsteht – das aufgrund seiner Vielseitigkeit als „Wundermaterial“ gefeierte, kohlenstoffbasierte Halbmetall. „Davor, bei rund 250 °C, bildet sich jedoch schon ein Zwischenprodukt, das Nanographen. Seine chemische Natur konnten wir bislang nicht eindeutig charakterisieren“, stellt Serguei Soubatch vom Forschungszentrum Jülich fest. Zudem war es bis dato nicht möglich gewesen, mit Gewissheit zu klären, ob es bei dieser Reaktion zur Loslösung von Wasserstoffatomen kommt.

Oberflächenreaktion von Di-Brom-Bianthrazen zu Bisanthene (Nanographen)
Oberflächenreaktion von Di-Brom-Bianthrazen zu Bisanthene (Nanographen)
(Bild: Tautz et al., nat. comm. V 10, 3189; DOI: 10.1038/s41467-019-11133-9)

Mithilfe der Orbitaltomographie haben die Forscher nun Klarheit geschaffen. So identifizierten sie das zwischenzeitlich auftretende Nanographen eindeutig als das Molekül Bisanthene (C28H14, siehe Reaktionsschema). „Außerdem haben wir gezeigt, dass sich die Molekülorbitale, also die räumliche Elektronenverteilung innerhalb eines Moleküls, bei Entfernen von Wasserstoffatomen sehr drastisch ändern würden. Dies stützt unseren Schluss, dass es sich bei Nanographen um C28H14 handeln muss“, ergänzt Stefan Tautz vom Forschungszentrum Jülich. Die neuen Einsichten in den Reaktionsablauf sind unter anderem für die Entwicklung von ultradünnen Solarzellen und chemischen Sensoren relevant: Sie könnten dabei helfen, neuartige elektronische Bauelemente zu entwickeln, die auf nanostrukturiertem Graphen basieren.

Originalpublikation: Xiaosheng Yang, Larissa Egger, Philipp Hurdax, Hendrik Kaser, Daniel Lüftner, François C. Bocquet, Georg Koller, Alexander Gottwald, Petra Tegeder, Mathias Richter, Michael G. Ramsey, Peter Puschnig, Serguei Soubatch, F. Stefan Tautz : Identifying surface reaction intermediates with photoemission tomography, Nature Communications (published online 18 July 2019); DOI: 10.1038/s41467-019-11133-9

* T. Schlößer: Forschungszentrum Jülich, 52428 Jülich

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