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Oberflächendiffusion: Wasserstoff ermöglicht das Tanzen von Molekülen

Wenn organische Molekülen an Festkörperoberflächen entlangdiffundieren, dann führen sie eine tanzartige Bewegung durch, an der Wasserstoffbrückenbindungen ganz maßgeblich beteiligt sind.

Oben: Unter Aufnahme und Abgabe von Wasserstoffatomen rotieren Moleküle um ihre eigene Achse und tanzen so die atomaren Reihen einer Titanoxidoberfläche entlang. Unten: In dieser Rastertunnelmikroskopieaufnahme erscheinen Wasserstoffatome als hellblaue Erhebungen.  Einzelne Moleküle ragen als orange Hügel

Oben: Unter Aufnahme und Abgabe von Wasserstoffatomen

Oben: Unter Aufnahme und Abgabe von Wasserstoffatomen rotieren Moleküle um ihre eigene Achse und tanzen so die atomaren Reihen einer Titanoxidoberfläche entlang. Unten: In dieser Rastertunnelmikroskopieaufnahme erscheinen Wasserstoffatome als...

Oben: Unter Aufnahme und Abgabe von Wasserstoffatomen rotieren Moleküle um ihre eigene Achse und tanzen so die atomaren Reihen einer Titanoxidoberfläche entlang. Unten: In dieser Rastertunnelmikroskopieaufnahme erscheinen Wasserstoffatome als hellblaue Erhebungen. Einzelne Moleküle ragen als orange Hügel

Wie dies im Detail funktioniert wurde in einer eben im Magazin Science veröffentlichten Studie beschrieben (Li et al., Science 328 (2010) 328).

Es gab schon seit längerer Zeit Hinweise darauf, dass der oft auf Oberflächen vorkommende Wasserstoff für die Diffusion unterschiedlicher organischer Moleküle sehr wichtig sein könnte.  Weitgehend unbekannt war aber, wie sich solche Diffusionsprozesse, die chemische Reaktionen und Selbstorganisationsprozesse auf Oberflächen entscheidend beeinflussen, auf atomarer Skala abspielen.
In einer von Ulrike Diebold, einer zu Beginn dieses Jahres an die TU Wien berufenenen Professorin für Oberflächenphysik, geleiteten Untersuchung wurde nun herausgefunden, wie Catecholmoleküle (C6H4(OH)2) über eine Titanoxidoberfläche diffundieren.  Die Beschreibung der einzelnen Schritte der Molekülbewegung gelang aufgrund von atomar aufgelösten Rastertunnelmikroskopiemessungen und Dichtefunktionalrechnungen. 

Wenn sich Catechol auf Titanoxid festsetzt, dann bildet es zwei starke Bindungen zu auf der Oberfläche vorhandenen Metallatomen aus. Dies geschieht unter Abspaltung zweier Wasserstoffatome, die sich wiederum auf den Sauerstoff der Oberfläche setzen. Der Wasserstoff kann allerdings relativ leicht wieder an das Molekül abgeben werden. Dieses Hin- und Herreichen von Wasserstoffatomen macht die Oberflächendiffusion überhaupt erst energetisch möglich.  

Wenn ein Molekül ein Wasserstoffatom aufnimmt, dann hebt es ein ‚Beinchen’ an, schwingt es in einer Drehbewegung um 180 Grad über ein zweites Wasserstoffatom und setzt es, unter Abgabe ersten Wasserstoffatoms, wieder auf die Oberfläche auf.  Wird diese Drehung fortgesetzt, dann tanzt das Molekül wie bei einem Wiener Walzer über die Oberfläche dahin, berichtete das Team um Prof. Diebold.