O2-Moleküle: Reaktivitität ein- und ausschalten

Mithilfe eines Rasterkraftmikroskops können Wiener Physiker Sauerstoff-Moleküle zwischen reaktivem und reaktionsträgem Zustand hin- und herschalten. Den Prozess haben sie auch gefilmt.

Neutraler molekularer Sauerstoff (O2) ist im Gegensatz zu atomarem Sauerstoff (O) reaktionsträge (inert). Erst ein extra Elektron macht O2 chemisch aktiv. Mithilfe eines Rasterkraftmikroskops können Wiener Physiker die Reaktivität von Sauerstoff-Molekülen auf einer Titanoxid-Oberfläche ein- und ausschalten, berichten sie im Fachjournal „Pnas“.

Aus Mitteln des Wittgenstein-Preises

Ulrike Diebold vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien untersucht Oberflächen von Festkörpern, primär von Metalloxiden. Für ihre Arbeit hat sie in den vergangenen Jahren zwei millionenschwere Förderpreise erhalten: einen „Advanced Grant“ des Europäischen Forschungsrats ERC und den österreichischen „Wittgenstein-Preis“.

Aus Mitteln des Wittgenstein-Preises hat Diebolds Gruppe in den vergangenen Jahren ein besonders leistungsfähiges Rasterkraftmikroskop aufgebaut und optimiert. In einem solchen „Atomic Force Microscope“ (AFM) bewegt sich eine winzige, sehr schnell (20 kHz) vibrierende Nadelspitze über das zu untersuchende Objekt. Die Interaktion dieser Spitze mit den Molekülen und Atomen auf der Oberfläche bewirkt eine Änderung der Frequenz, die erfasst und in ein digitales Bild umgerechnet wird. So lassen sich Moleküle und Atome einzeln abbilden und untersuchen, sowie physikalische und chemische Eigenschaften messen.

Titanoxid: Ein Photokatalysator

Ein Lieblingsmaterial Diebolds ist Titanoxid (TiO2), das bereits vielfältig eingesetzt wird, in Zahnpasta genauso wie als Beschichtung künstlicher Hüftgelenke, in Solarzellen oder chemischen Katalysatoren. Zudem ist Titanoxid ein Photokatalysator: Die Fähigkeit des Materials, sich an chemischen Reaktionen zu beteiligen, hängt von der Lichteinstrahlung ab. Grund dafür ist, dass bei Lichteinstrahlung im Material freie Elektronen zu wandern beginnen. Und diese können als zusätzliches Elektronen Sauerstoff-Moleküle aktivieren.

Aus diesem Grund interessierten sich die Wissenschafter für die Vorgänge bei diesem wichtigen chemischen Prozess. Dieser spielt sich nicht nur auf Titanoxid-Oberflächen ab, sondern in lebenden Organismen oder in Brennstoffzellen.

Elektron wird abgesaugt

Es gelang ihnen nicht nur, den Unterschied zwischen einem neutralen (und damit chemisch inaktiven) und einem mit zusätzlichem Elektron versehenen (und damit geladenen und chemisch aktiven) Sauerstoff-Molekülen sichtbar zu machen. Sie konnten mit der AFM-Spitze einem einzelnen Sauerstoff-Molekül auch ganz gezielt ein Elektron hinzuzufügen und den Wechsel vom inaktiven in den aktiven Zustand zu beobachten. Zudem können sie das Elektron wieder vom Sauerstoff-Molekül entfernen, „wir müssen dazu die an die Probe angelegte Spannung nur umpolen, dann kann man das Elektron absaugen“, sagte Diebold zur APA.

Gleich ob das zusätzliche Elektron vom Mikroskop kommt, oder Licht das Titanoxid dazu bringt, ein Elektron an das Sauerstoff-Molekül zu liefern - das Endergebnis ist das selbe. „Unsere Methode ermöglicht uns ein völlig neues Ausmaß an Kontrolle über diesen Prozess. Das eröffnet uns neue Möglichkeiten, die Wirkung von Katalysatoren zu untersuchen“, so Diebold.

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