[30.03.2007] Atome ertasten, Moleküle sehen - Rastersondenmikroskope geben seit wenigen Jahrzehnten Einblick in die Welt der kleinsten Teile. Experimentalphysiker der Universität Duisburg-Essen haben nun eine weitere Methode entwickelt, die die Elektronenlandschaft der Stoffe noch detaillierter abbildet.

Atome und Moleküle sind mit ihren Bruchteilen von milliardstel Metern viel zu klein für konventionelle Licht- und Elektronenmikroskope. Mit dem Rastertunnelmikroskop wird die Probe nicht mit einem schnellen Blick erfasst, sondern deren Oberfläche mit einer feinen Spitze "erfühlt". Linie um Linie fährt diese computergesteuert über das Objekt, und auf dem angeschlossenen Rechner entsteht Strich für Strich ein Bild von den Atomen. Die Physiker Amin Bannani, Christian Bobisch und Prof. Rolf Möller von der Universität Duisburg-Essen suchten jetzt nach einer Methode, die noch mehr kann. Nämlich organische Moleküle sichtbar machen und einen Blick in deren Inneres werfen. Das Team konzentrierte sich dabei auf eine besondere Untergruppe der Elektronen, sogenannte ballistische Elektronen.

Das sind im Prinzip alle Fehlschüsse und Durchschüsse, die die Probe relativ ungestört passieren. Gerät ein Tunnelelektron hingegen zu sehr in den Wirkungsbereich eines Atomkerns oder der atomgebundenen Elektronen, wird es gestreut und erreicht nicht den Detektor. Bei dieser Methode kommt es darauf an, ob und wie sehr das Objekt den Elektronen "im Weg" ist. Das "wie sehr" lässt sich über verschieden hohe Spannungen herausfinden, die den Messelektronen gewissermaßen mehr oder weniger Schwung verleihen. Mit wenig Startenergie gerät ein getunneltes Elektron bereits in Randbereichen der Moleküle auf Abwege, während es mit einem energischeren Start selbst in den "weicheren" Molekülzonen kaum gestreut wird. Die zusätzliche Abbildung zeigt dann Kanäle auf, wo die Elektronen besonders gut durch die Probe transportiert werden.

Die Qualität ihrer neuen Rasternahfeld- Elektronendurchsicht- Mikroskopie (scanning near-field electron transmission microscopy) haben die Forscher an zwei unterschiedlichen Molekülen erprobt: fußballförmigen Buckyballs aus je 60 Kohlenstoffatomen und dem komplexeren 3,4,9,10-Perylen-Tetracarboxylsäuredianhydrid (PTCDA), das recht flächig ist und dessen Form an einen Hundeknochen erinnert. Von beiden Verbindungen erhielten sie mindestens ebenso gute Bilder wie mit einem gewöhnlichen Rastertunnelmikroskop. Besonders beim Buckyball machte sich aber der Vorteil der ballistischen Elektronen bemerkbar. Mit höheren Spannungen trat immer besser der Hohlraum im Zentrum der kleinen Kugeln hervor - eine Struktur, die niemals zuvor mit einem Mikroskop gesehen wurde.

Die genauen Ergebnisse sind in der neuesten Ausgabe der renommierten Wissenschaftszeitschrift Science nachzulesen (Science 315: 1824-1828 (2007)).