Kraftmikroskop aktiviert Sauerstoff

Bild: TU Wien

Österreichische Wissenschaftler haben erstmalig einzelne Sauerstoffmoleküle auf einer Oberfläche aktiviert und diesen Vorgang mit hochauflösenden Bildern festgehalten. Mit ihrer Technik eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten, die Wirkung von Katalysatoren zu untersuchen; und zwar punktgenau.

Sauerstoff: Brandstifter und Lebensspender

Ohne Sauerstoff gibt es kein Feuer. Bild: www.JenaFoto24.de / <a href="http://pixelio.de" target="_blank">pixelio.de</a>
Ohne Sauerstoff gibt es kein Feuer. Bild: www.JenaFoto24.de / pixelio.de

Wenn etwas verbrennt, braucht es dazu Sauerstoff – und Sauerstoff ist überall in der Luft. Brennbare Dinge gehen in den meisten Fällen aber nicht spontan in Flammen auf, wenn sie an der Luft sind. Der Grund dafür ist, dass der Sauerstoff in der Luft nicht sehr reaktiv ist und erst in eine aktive Form überführt werden muss. Das kann durch einen Funken passieren sein, eine Wärmequelle oder durch UV-Licht (denn nicht die UV-Strahlung lässt Farben von Stoffen und Oberflächen verblassen, sondern der Sauerstoff den die Strahlung aktiviert).

Lebewesen benutzen aber stattdessen eine chemische Reaktion um Sauerstoff für ihre Zwecke vorzubereiten: Sie fügen dem O2-Molekül ein Elektron hinzu. Den Unterschied, den ein Elektron ausmachen kann, sieht man zum Beispiel am giftigen Chlor (Cl2): Durch ein Elektron wird es zu Chlorid (Cl), einem Bestandteil von Kochsalz (NaCl) und ist lebensnotwendig.

Ein Mikroskop für Moleküle

Die Forschergruppe um Prof. Ulrike Diebold am Institut für Angewandte Physik der TU Wien lagerte einzelne Sauerstoff-Moleküle an eine Oberfläche aus Titandioxid (TiO2) an. Titandioxid ist nicht nur ein wichtiges Weißpigment, sondern wird auch für Beschichtungen von Implantaten und als Material für Katalysatoren benutzt.

Die hellen Flecken sind Sauerstoffmoleküle; die dunklen Flecken sind die negativ geladenen Dioxid-Ionen. Bild: Setvin et al., PNAS, 2017
Die hellen Flecken sind Sauerstoffmoleküle; die dunklen Flecken sind die negativ geladenen Dioxid-Ionen. Bild: Setvin et al., PNAS, 2017

Die einzelnen Sauerstoff-Moleküle konnten die Forscher mittel eines hochleistungsfähigen Kraftmikroskops sichtbar gemacht. „Eine winzige Nadel wird in Schwingung versetzt und über die Oberfläche bewegt. Durch die Kraft, die zwischen der Nadelspitze und den Atomen der Probe wirkt, ändert sich die Schwingung, und daraus kann man schließlich Punkt für Punkt ein Bild der Oberfläche erstellen“, erklärt Ulrike Diebold in einer Stellungnahme. Durch die Nadelspitze brachten die Physiker Elektronen in einzelne Sauerstoffteilchen. Dadurch veränderte sich die Kraft zwischen der Nadelspitze und den nun negativ geladenem Sauerstoff-Ionen.

Das besondere an dieser Arbeit, die die Physiker in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlichten, ist die unglaubliche Präzision. Die Wissenschaftler veränderten einzelne Stoffteilchen buchstäblich punktgenau. Für die Untersuchung von Katalysatoren eröffnet diese Genauigkeit tatsächlich vielversprechende Möglichkeiten.

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