Wenn die Chemie (nicht) stimmt: Einfluss mikroskopischer Umgebung

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Reaktivität einzelner Moleküle unter kontrollierten Bedingungen untersucht

Forscher weltweit arbeiten daran, effiziente Materialien zu entwickeln, mit denen CO2 in nutzbare chemische Stoffe umgewandelt werden kann. Das ist vor allem angesichts der Erderwärmung wichtig. Ein Team der Universität Göttingen und des Ulsan National Institutes for Science, Südkorea, hat einen vielversprechenden Ansatz gefunden: Katalytisch aktive Moleküle werden auf einer Oberfläche verankert, die als leitfähiger Elektronenlieferant dient. Die Moleküle begünstigen die chemische Reaktion. Solche Hybridsysteme machen sowohl die Eigenschaften der Moleküle als auch die Eigenschaften des Trägermaterials nutzbar. Die Ergebnisse sind in Science Advances erschienen.

Topographie periodisch angeordneter Moleküle auf einer Silberoberfläche – Bild © Ole Bunjes, Uni Göttingen

Das Team dampfte in einem ersten Schritt die katalytisch aktiven Moleküle auf glänzendes Silber auf, bevor sie diese mit einem in Göttingen gebauten hochauflösenden Rastertunnelmikroskop untersuchten. „Zu unserem großen Erstaunen ordnen sich die Moleküle wie von Zauberhand in nahezu perfekte einlagige Strukturen auf der Oberfläche an“, sagt Lucas Paul, Koautor der Studie.

„Neben der Abbildung einzelner Moleküle kann im Rastertunnelmikroskop die Energie der injizierten Elektronen so genau eingestellt werden, dass in einem einzelnen Molekül chemische Reaktionen induziert und beobachtet werden können“, erklärt der Physiker Prof. Dr. Martin Wenderoth, der das Projekt gemeinsam mit der Chemikerin Prof. Dr. Inke Siewert im Sonderforschungsbereich 1073  „Atomic Scale Control of Energy Conversion“ geleitet hat. „Wir können präzise einzelne chemische Bindungen brechen“, ergänzt Siewert.

Die Forscherinnen und Forscher konnten zeigen, dass Moleküle, welche besonders dicht gedrängt auf der Oberfläche angeordnet sind, veränderte chemische Eigenschaften aufweisen. So kann ausschließlich für die „eingesperrten“ Moleküle die Bindung gebrochen und anschließend auch wiederhergestellt werden, da sich der abgetrennte Molekülteil nur wenig vom Rest des Moleküls entfernen kann. „Das zeigt, wie atomarer Platzmangel genutzt werden kann, um chemische Reaktionen zu manipulieren“, sagt Erstautor Ole Bunjes.

Mit ihren Experimenten möchte das Team einen Beitrag zur Entwicklung effizienter Molekül-Oberflächen-Systeme mit präzise bestimmten Eigenschaften leisten. Sie wollen weiter erforschen, ob sich das untersuchte System als molekularer Datenspeicher eignet.

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