Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des LOEWE-Schwerpunkts PRiOSS (Principles of On-Surface Synthesis) und der University of Newcastle (UON) in Australien haben gemeinsam eine neue Messmethode entwickelt, mit der die chemische Struktur einzelner Moleküle sichtbar gemacht wird. Für die Messungen kam ein Tieftemperatur-Rasterkraftmikroskop zum Einsatz, welches die zu untersuchende Probe mit einer extrem scharfen Spitze abtastet. Das Prinzip ist also dem Abtasten einer Oberfläche mit den Fingern ähnlich, allerdings besteht die Messspitze des Rasterkraftmikroskops nur aus einem einzelnen Kohlenmonoxid-Molekül (CO), was die Visualisierung einzelner Atome und chemischer Bindungen ermöglicht. Dafür benötigten die Forscher:innen Stimmgabelsensoren (qPlus Sensoren), welche zu sehr kleinen Schwingungen im Bereich von nur wenigen Picometern angeregt werden können. Die Studie wurde in der Zeitschrift “Nanoscale” veröffentlicht.

Bislang wurden die Stimmgabelsensoren so betrieben, dass die CO-Spitze senkrecht zur Probenoberfläche hin- und herschwingt (oszilliert), ähnlich wie bei einem Sprungbrett über der Wasseroberfläche. Den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ist es jetzt gelungen, eine Torsionsschwingung (also eine Verdrehung entlang der Längsachse, siehe Abbildung) der Sensoren für diese hochauflösenden Messungen von Molekülen zu nutzen. Hierdurch schwingt die CO-Spitze annähernd parallel zur Oberfläche. Dies liefert einen beeindruckenden Bildkontrast, der auf Lateralkräften (seitlich wirkende Kräfte) mit besonders hoher Abstandsabhängigkeit beruht.

Bisher konnten diese Messungen nur mit speziellen Lateralkraftsensoren durchgeführt werden. Durch Einsatz der neuen Methode und durch den Betrieb bei einer anderen Resonanzfrequenz ist es möglich, unkompliziert zwischen der gewöhnlichen Bond-Imaging-Methode und der Lateralkraftmethode zu wechseln. Damit entfällt die Notwendigkeit, den kompletten Sensor zu tauschen, was bei Tieftemperatur-Rasterkraftmikroskopen sehr aufwendig ist.

In Zukunft möchten die Wissenschaftler:innen die neue Technik verwenden, um im Rahmen des LOEWE-Schwerpunkts PriOSS molekulare Reaktionsprozesse auf Oberflächen zu untersuchen.

Publikation

Daniel Martin-Jimenez, Michael G. Ruppert, Alexander Ihle, Sebastian Ahles, Hermann A. Wegner, André Schirmeisen and Daniel Ebeling. "Chemical bond imaging using torsional and flexural higher eigenmodes of qPlus sensors." Nanoscale 14, 5329, 2022 (Cover Article). https://doi.org/10.1039/D2NR01062C