Sauerstoff zum Ein- und Ausschalten

15.03.2017 - Österreich

An der TU Wien ist es gelungen, einen chemisch höchst wichtigen Prozess gezielt zu steuern: Sauerstoffmoleküle können zwischen einem reaktiven und einem nicht reaktiven Zustand umgeschaltet werden.

Sauerstoff ist hoch reaktiv. Warum verbrennen wir dann nicht spontan, obwohl wir ständig von diesem aggressiven Element umgeben sind? Der Grund ist, dass Sauerstoff um uns herum als O2-Molekül vorkommt, in einer wenig reaktiven Form. An der TU Wien gelang es nun, einzelne Sauerstoffmoleküle auf einer Titanoxid-Oberfläche unter einem speziellen Kraftmikroskop ganz gezielt von einem nicht-reaktiven auf einen reaktiven Zustand umzuschalten. Gleichzeitig konnte man diesen Prozess erstmals auf hochauflösenden Bildern festhalten.

Aktivierend: Hitze oder Elektronen

„Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die stabilen, nicht-reaktiven O2-Moleküle in einen reaktiven Zustand zu versetzen“, sagt Martin Setvin, Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe von Prof. Ulrike Diebold am Institut für Angewandte Physik der TU Wien. „Man kann die Temperatur erhöhen – das passiert bei einer Verbrennung. Oder man fügt den Molekülen ein zusätzliches Elektron hinzu, auch dadurch werden sie chemisch aktiv.“

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Dieser Vorgang, Sauerstoffmoleküle durch Hinzufügen von Elektronen zu aktivieren, ist allgegenwärtig – alle lebenden Organsimen nutzen diesen Trick, und auch moderne Brennstoffzellen funktionieren auf diese Weise. An der TU Wien ist es nun gelungen, diesen Prozess erstmals im Kraftmikroskop auf atomarer Skala abzubilden und gezielt zu steuern.

Untersucht wurden Sauerstoff-Moleküle, die auf der Oberfläche eines Titanoxid-Kristalls sitzen. Titanoxid ist ein technologisch besonders interessantes Material, das in vielen Bereichen eingesetzt wird – von der Beschichtung für künstliche Hüftgelenke bis hin zu selbstreinigenden, schmutzabweisenden Spiegeln. Es ist ein Photokatalysator, das bedeutet, dass seine Fähigkeit, sich an chemischen Reaktionen zu beteiligen, von der Lichteinstrahlung abhängt.

Atome direkt abbilden

An der TU Wien wurde in den letzten Jahren ein ganz besonders leistungsfähiges Kraftmikroskop aufgebaut und optimiert, finanziert durch den Wittgensteinpreis, den Ulrike Diebold 2014 gewann. Dieses Gerät spielte bei dem aktuellen Forschungsprojekt eine entscheidende Rolle: „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. „Durch eine ausgetüftelte Abbildungstechnik und viel Erfahrung im Umgang mit solchen Materialien können wir sogar Bilder erzeugen, auf denen man den Unterschied zwischen neutralen, inaktiven Sauerstoff-Molekülen und reaktiven, geladenen Sauerstoff-Molekülen mit zusätzlichem Elektron direkt sieht.“

Mit der Spitze des Kraftmikroskops kann man auch einzelnen Sauerstoff-Molekülen ganz gezielt ein Elektron hinzufügen und dann beobachten, dass es dadurch vom inaktiven in den aktiven Zustand wechselt. Dasselbe geschieht auch, wenn man die Titanoxid-Oberfläche mit Licht bestrahlt – dann beginnen im Material freie Elektronen zu wandern und können eines der Sauerstoff-Moleküle aktivieren.

„Egal ob wir mit dem Mikroskop ein Elektron hinzufügen oder das Titanoxid durch Licht dazu bringen, ein Elektron an das Sauerstoff-Molekül zu liefern – wie wir zeigen konnten, ist das Endergebnis dasselbe“, sagt Ulrike Diebold. „Unsere Methode ermöglicht uns ein völlig neues Ausmaß an Kontrolle über diesen Prozess. Das eröffnet uns neue Möglichkeiten, die Wirkung von Katalysatoren zu untersuchen.“