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Atom sichtbar machen - so funktioniert das Rastertunnelmikroskop

Kann man einzelne Atome wirklich sichtbar machen? Prinzipiell ist das mit einem Rastertunnelmikroskop möglich - aber was sieht man da?

Wie sehen eigentlich Atome aus?
Wie sehen eigentlich Atome aus?

Atome sichtbar machen - mit dem Rastertunnelmikroskop

  • Auch ohne weitere Erläuterung ist klar, dass Atome so winzig sind, dass sie weder mit bloßem Auge noch mit normalen Mikroskopen zu sehen sind (wenn sie denn überhaupt existieren und nicht nur eine - wenn auch gute - Modellvorstellung der Wissenschaft sind).
  • Tatsächlich ermöglicht es der sog. Tunnel-Effekt, einzelne Atome, besser gesagt: die Atome auf einer Oberfläche, sichtbar zu machen.
  • Gerd Binnig und Heinrich Rohrer vom IBM-Forschungslabor in Rüschlikon/Schweiz gelang dies Anfang der 1980er Jahre mit der Entwicklung des Raster-Tunnel-Mikroskops (RTM), das die direkte Untersuchung von Oberflächen im atomaren Maßstab ermöglicht und sich zu einem universellen Untersuchungsgerät für den Nanometerbereich entwickelt hat.
  • Bei dem Gerät wird eine extrem feine Spitze in einer möglichst geringen Entfernung (Abstand um 1 nm) über die äußerste Atomschicht der (elektrisch leitenden) Probenoberfläche geführt, vergleichbar mit einem Blinden, der mit seinem Stock den Boden abtastet.
  • Normalerweise bildet der (evakuierte) Raum zwischen Spitze und Oberfläche eine für Elektronen unüberwindliche Hürde. Durch den nur quantenphysikalisch erklärbaren Tunnel-Effekt überbrücken aber einzelne Elektronen diesen Zwischenraum, sodass bei angelegter Spannung ein von der Oberflächenstruktur abhängiger Tunnelstrom entsteht. Die punktgenaue Positionierung der winzigen Spitze gelingt übrigens mit piezoelektrischen Antriebselementen.
  • Die zeilenweise gemessenen Werte verwandelt ein Computerprogramm anschließend in ein anschauliches topographisches Bild, eine Art Berg- und Tallandschaft der Oberfläche.
  • Die Informationen über die Materialoberfläche sind erstaunlich genau, da der Tunnel-Effekt sehr sensibel vom Abstand der Spitze abhängt; selbst einzelne Atome werden als winzige Hügel in der dreidimensional wirkenden Abbildung sichtbar. Die beiden Forscher wurden für ihre Arbeiten im Jahr 1986 mit dem Nobelpreis für Physik geehrt.

Das Rasterkraftmikroskop - eine Weiterentwicklung

  • Nichtleitende Proben wie etwa Keramiken lassen sich mit einem Abkömmling, dem Raster-Kraftmikroskop, einer Fortentwicklung aus dem Jahr 1986, das mit einem winzigen, auslenkbaren Federbalken arbeitet und auf atomare Kräfte reagiert, untersuchen.
  • Mehrere Forschergruppen haben zudem gezeigt, dass Oberflächen auch in einer normalen Umgebung, also nicht in einem Vakuumsystem, untersucht werden können.
  • Sogar Proben unter Wasser lassen sich „mikroskopieren“. Dies ist besonders im Hinblick auf die Erforschung von Biomolekülen, DNA-Teilen oder Viren interessant.
  • Außerdem lässt sich die Veränderung von Oberflächen zum Beispiel bei chemischen Reaktionen oder bei der Katalyse beobachten.

Fazit: Beide "Mikroskope" haben das Sichtbarmachen von Strukturen auf atomarer und molekularer Ebene wesentlich vorangetrieben. Aber ob Atome letztendlich so aussehen?

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