Wie sauer sind Atome?

Der Säuregrad von Molekülen lässt sich leicht bestimmen. Bei Atomen auf einer Oberfläche war das bisher nicht möglich. Mit einer neuen Mikroskopietechnik der TU Wien ist das nun gelungen.

Wie sauer oder basisch eine Substanz ist, bestimmt ganz maßgeblich ihr chemisches Verhalten. Entscheidend dafür ist die sogenannte Protonenaffinität. Sie gibt an, wie leicht ein Molekül ein einzelnes Proton annimmt oder abgibt. Bei einer Flüssigkeit ist das leicht zu messen, bei Oberflächen war das bisher aber nicht möglich. Das Problem daran ist, dass auf einer Oberfläche unterschiedliche Atome sitzen können, mit ganz unterschiedlicher Protonenaffinität.

An der TU Wien gelang es nun, diese wichtige physikalische Größe erstmals experimentell zugänglich zu machen: Mit einem speziell modifizierten Rasterkraftmikroskop kann man die Protonenaffinität einzelner Atome untersuchen. Mit dieser Methode wird es nun auch möglich, Katalysatoren auf atomarer Skala gezielt zu analysieren.

Präzision statt Mittelwert

„Alle bisherigen Messungen des Säuregrades von Oberflächen hatten ein ganz wesentliches Problem“, sagt Prof. Ulrike Diebold vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien. „Wenn unterschiedliche Atome auf der Oberfläche sitzen, die sich chemisch unterschiedlich verhalten, dann konnte man immer nur einen Mittelwert messen.“

Man wusste nicht, welches der Atome in welchem Ausmaß zum Ablauf chemischer Reaktionen beiträgt, und so ließ sich aus den Messergebnissen auch nicht ableiten, wie man die Oberflächen auf atomarer Skala anpassen muss, um bestimmte chemische Reaktionen zu begünstigen. Doch genau das ist notwendig, etwa wenn man nach effektiveren Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion sucht.

„Wir analysierten Oberflächen aus Indiumoxid. Sie sind besonders interessant, denn dort gibt es an der Oberfläche gleich fünf unterschiedliche Arten von OH-Gruppen mit unterschiedlichen Eigenschaften“, sagt Margareta Wagner, die diese Messungen im Labor von Prof. Diebold durchgeführt hat.

Mit einem speziellen Trick gelang es, diese OH-Gruppen einzeln zu untersuchen: Man platziert eine einzelne OH-Gruppe an der Spitze eines Rasterkraftmikroskops. Diese Spitze kann man dann ganz gezielt über einem bestimmten Atom der Oberfläche platzieren. Zwischen der OH-Gruppe der Spitze und der OH-Gruppe direkt darunter auf der Indiumoxid-Oberfläche wirkt eine Kraft, und diese Kraft hängt empfindlich vom Abstand ab.

„Wir variieren den Abstand zwischen Spitze und Oberfläche und messen, wie sich die Kraft dadurch ändert“, erklärt Margareta Wagner. „So erhalten wir für jede OH-Gruppe auf der Materialoberfläche eine charakteristische Kraftkurve.“ Der Verlauf dieser Kraftkurve gibt Auskunft darüber, wie gut die jeweiligen Sauerstoffatome der Indiumoxidoberfläche Protonen festhalten – beziehungsweise, wie leicht sie Protonen abgeben.

Um daraus einen konkreten Wert für die Protonenaffinität zu erhalten, waren noch theoretische Arbeiten nötig, die von Bernd Meyer an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg durchgeführt wurden. In aufwändigen Computersimulationen konnte gezeigt werden, wie sich die Kraftkurve des Rasterkraftmikroskops auf recht einfache und präzise Weise in jene Größen übersetzen lässt, die man in der Chemie benötigt.

Nanostruktur bestimmt die Qualität von Katalysatoren

„Für die Weiterentwicklung von Katalysatoren ist das ganz entscheidend“, sagt Bernd Meyer. „Wir wissen, dass Atome derselben Atomsorte sich ganz unterschiedlich verhalten können, je nachdem, welche atomaren Nachbarn sie haben und auf welche Weise sie in die Oberfläche eingebaut sind.“ So kann es etwa einen großen Unterschied machen, ob die Oberfläche perfekt glatt ist oder ob sie Stufen auf atomarer Skala aufweist. An solchen Stufenkanten sitzen Atome mit einer kleineren Zahl an Nachbarn, und sie können möglicherweise chemische Reaktionen deutlich verbessern oder verschlechtern.

„Mit unserer funktionalisierten Rasterkraftmikroskopspitze können wir solchen Fragen nun erstmals präzise nachgehen“, sagt Ulrike Diebold. „Damit ist man hier nicht mehr auf Versuch und Irrtum angewiesen, sondern kann chemische Eigenschaften von Oberflächen genau verstehen und verbessern.“