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Chemische Reaktion unterm Vergrößerungsglas

Forscher beleuchten Reaktionsverlauf bei der Entstehung von Graphen

22.07.2019

Copyright: Forschungszentrum Jülich / Serguei Soubatch

Experimentell bestimmte Orbitale bei verschiedenen Energien

Vor zehn Jahren haben Forscher aus Jülich und Graz eine neue Methode entwickelt, mit der man Elektronenorbitale in Molekülen sichtbar machen kann. Nun ist das Verfahren so weit gereift, dass man damit den Verlauf einer chemischen Reaktion auf einer Kupferoberfläche mitsamt allen Zwischenprodukten abbilden kann. Als Endprodukt entsteht dabei Graphen. Die Ergebnisse sind unter anderem für die Entwicklung von ultradünnen Solarzellen und chemischen Sensoren relevant.

Messverfahren, die den exakten Zustand von Zwischenprodukten einer chemischen Reaktion beschreiben, gelten als Heiliger Gral in der Analytischen Chemie. „Eine besondere Herausforderung ist die Bestimmung von Reaktionsprodukten auf Oberflächen. Etablierte Methoden liefern hier oft keine eindeutigen Ergebnisse“, erklärt Peter Puschnig vom Institut für Physik der Universität Graz. Mithilfe der sogenannten Orbitaltomografie können die Wissenschaftler den wahrscheinlichen Aufenthaltsort von Elektronen in Atomen oder Molekülen mathematisch rekonstruieren.

Nun wurde diese Methode erstmals auf die thermisch induzierte Reaktion des Moleküls Di-Brom-Bianthrazen auf einer Kupferoberfläche angewandt. Bisher war lediglich bekannt, dass hier bei Temperaturen von rund 700 Grad Celsius Graphen entsteht – ein aufgrund seiner Vielseitigkeit als „Wundermaterial“ gefeiertes Halbmetall. „Davor, bei rund 250 Grad Celsius, bildet sich jedoch schon ein Zwischenprodukt, das Nanographen. Seine chemische Natur konnten wir bislang nicht eindeutig charakterisieren“, konstatiert Serguei Soubatch vom Forschungszentrum Jülich. Zudem war es bis dato nicht möglich gewesen, mit letzter Gewissheit zu klären, ob es bei dieser Reaktion zur Loslösung von Wasserstoffatomen kommt.

Mithilfe der Orbitaltomografie haben die Forscher nun Klarheit geschaffen. So gelang es den Wissenschaftlern, das zwischenzeitlich auftretende Nanographen eindeutig als das Molekül Bisanthene (C28H14) zu identifizieren. „Außerdem haben wir gezeigt, dass sich die Molekülorbitale, also die räumliche Elektronenverteilung innerhalb eines Moleküls, bei Entfernen von Wasserstoffatomen sehr drastisch ändern würden. Dieses Faktum stützt unseren Schluss, dass es sich bei Nanographen um C28H14 handeln muss“, erklärt Stefan Tautz vom Forschungszentrum Jülich.

Das gewonnene Wissen ist für die Entwicklung neuartiger elektronischer Bauelemente, die auf nanostrukturiertem Graphen basieren, von essenzieller Bedeutung. An der Publikation waren außerdem die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Berlin und Universität Heidelberg beteiligt.

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