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Bindungsprozess analysiert Video zeigt erstmals Atome im Paartanz

| Autor/ Redakteur: Annika Bingmann* / Christian Lüttmann

Elegant kreisen die Partner umeinander, nähern sich an und entfernen sich wieder voneinander. Was wie ein Tanz aussieht, ist tatsächlich das Entstehen und Vergehen einer Atom-Verbindung – erstmals festgehalten in bewegten Bildern. Möglich macht dies eine besondere Mikroskopie-Technik, die eine deutsch-britische Forschergruppe entwickelt hat.

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Innenansicht des Supermikroskops SALVE, mit dem der „Bindungstanz“ zweier Rheniumatome gefilmt wurde.
Innenansicht des Supermikroskops SALVE, mit dem der „Bindungstanz“ zweier Rheniumatome gefilmt wurde.
(Bild: Heiko Grandel, Universität Ulm)

Ulm, Nottingham/UK – Feste, flüssige und gasförmige Stoffe sowie lebende Organismen: Die gesamte Natur basiert auf chemischen Verbindungen. Im Bewegtbild festzuhalten, wie diese entstehen, war eine bisher ungelöste Aufgabe. Unter anderem wegen der sehr geringen Größe der Bindeglieder von lediglich 0,1 bis 0,3 Nanometern Durchmesser.

Doch nun ist Forschern um Professorin Ute Kaiser von der Universität Ulm und Professor Andrei Khlobystov von der britischen University of Nottingham der Durchbruch geglückt: Mithilfe eines speziellen Elektronenmikroskops sowie winzigen Kohlenstoff-Nanoröhren filmten sie das Verhalten eines Atompaares in Echtzeit auf der atomaren Skala. Bei den verwendeten Röhrchen handelt es sich um hohle Zylinder mit einem Durchmesser von einem bis zwei Nanometern. „Die Kohlenstoff-Nanoröhren helfen uns, Atome und Moleküle ,einzufangen‘ und sie nach unseren Wünschen zu positionieren“, erklärt Khlobystov.

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Im Gleichschritt durchs Nanoröhrchen

Für ihre Aufnahmen haben die Wissenschaftler zwei Atome des Übergangsmetalls Rhenium (Re) eingefangen und mit dem Transmissionselektronenmikroskops SALVE der Universität Ulm aufgenommen. Dabei erfüllt der Elektronenstrahl gleich zwei Aufgaben: Zum einen hilft er, die genaue Position der Atome darzustellen und zum anderen aktiviert er die chemische Reaktion.

Dadurch ist es den Forschern bereits in der Vergangenheit gelungen, molekulare Reaktionen aufzunehmen. „Mit dem SALVE-Mikroskop konnten wir jetzt die Dynamik der Rhenium-Atome in den Nanoröhrchen nachvollziehen. Dabei haben wir festgestellt, dass sich die Länge der Verbindung schrittweise verändert“, beschreibt die Mikroskopie-Expertin Kaiser.

Ein wissenschaftlicher Blockbuster von 19 Sekunden: filmische Analyse der Dynamik der Rhenium-Dimere (Quelle: Materialwissenschaftliche Elektronenmikroskopie, Universität Ulm)

Darüber hinaus hat der Ulmer Erstautor Dr. Kecheng Cao ein ungewöhnliches Phänomen beobachtet: Die Atome scheinen als Paar, im Gleichschritt, das Nanoröhrchen entlang zu laufen. „Die Paarbewegungen waren erstaunlich gut zu erkennen. Während die Atome das Röhrchen hinunterwanderten, wurde ihre Verbindung stärker oder schwächer – offenbar abhängig von der jeweiligen Umgebung“, erläutert Cao.

Neue Einsichten in das Bindungsverhalten

Mit der Kombination aus Transmissionselektronenmikroskopie und Kohlenstoff-Nanoröhrchen können die Forscher also im Bewegtbild festhalten, wie sich die Atome verbinden, voneinander lösen und womöglich eine erneute Verbindung zum Re2-Molekül eingehen. Weiterhin erhielten sie neue Einblicke in die Chemie der Übergangsmetalle: „Verbindungen von Metall-Atomen sind sehr wichtig in der Chemie – insbesondere wenn es um das Verständnis von magnetischen, elektronischen und katalytischen Materialeigenschaften geht. Dabei können Übergangsmetalle wie Rhenium verschiedene Arten von Verbindungen ausbilden. Im TEM-Experiment haben wir herausgefunden, dass Rhenium-Atome vor allem durch eine vierfach-Verbindung gekoppelt sind“, sagt Dr. Stephen Skowron von der University of Nottingham.

Nach Einschätzung der Autoren haben sie weltweit erstmals das Entstehen und Brechen von Verbindungen auf der atomaren Ebene filmisch festgehalten. „Damit erweitern wir die Grenzen der molekularen Bildgebung: Künftig könnte die Elektronenmikroskopie zu einer wichtigen Methode werden, um die Dynamik chemischer Reaktionen in Echtzeit zu untersuchen“, resümieren Kaiser und Khlobystov.

Originalpublikation: Kecheng Cao, Stephen T. Skowron, Johannes Biskupek, Craig T. Stoppiello, Christopher Leist, Elena Besley, Andrei N. Khlobystov, Ute Kaiser: Imaging an unsupported metal-metal bond in dirhenium molecules at the atomic scale, Science Advances 17 Jan 2020, Vol. 6, no. 3; DOI: 10.1126/sciadv.aay5849

* A. Bingmann, Universität Ulm, 89081 Ulm

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