Universität Duisburg–Essen

Es ist also nicht verwunderlich, dass immermehr Wissenschaftler auf Gebieten arbeiten,die über die klassischen Grenzen ihres eigenenFaches hinaus reichen. Dies gilt insbesondereim Bereich einer der Schlüsseltechnologien des21. Jahrhunderts, der Nanotechnologie. Dortwird Interdisziplinarität besonders groß geschrie-ben, und die Kunst, von angrenzenden Fachge-bieten etwas zu verstehen, ohne die vertiefteKenntnis im eigenen Sektor aufzugeben, stehthoch im Kurs.

Die Oberf lächenphysik ist oft allein aufgrundihrer Untersuchungsmethoden für Biologenund Chemiker gleichermaßen interessant. Be-sondere Bedeutung haben dabei die so genann-ten Rastersondenverfahren. Damit lassen sichim Prinzip Bilder von kleinsten Strukturen bishin zu einzelnen Atomen erstellen. Bei der Raster-kraftmikroskopie wird eine Spitze, die an einemmikroskopisch kleinen Federbalken befestigt ist,zeilenweise über die zu untersuchende Probegeführt. Die Spitze folgt dabei dem Relief der

asterfahndungim Mikrokosmos

Untersuchung supramolekularer Aggregatemit der Rasterkraftmikroskopie

Die Zeit des Universalgelehrten ist schon lange vorbei. Die heute fast selbstverständlicheAufteilung der Naturwissenschaften in Fachdisziplinen wie Biologie, Chemie und Physikmag man bedauern und sich in nostalgischer Verklärung nach dem Bild des rauschbärtigenPolyhistoren, des interdisziplinär Gelehrten in seiner Studierstube zurücksehnen. Dessenungeachtet: Das Wissen der Welt im dritten Jahrtausend ist definitiv zu komplex geworden.Niemand kann heute für sich in Anspruch nehmen, Naturwissenschaftler im allgemeinenSinne zu sein, wie es Leonardo da Vinci (1452 –1519) oder Gottfried Wilhelm Freiherr vonLeibniz (1646 –1716) waren. Umgekehrt gilt heute aber auch: Es gibt kaum noch eintechnologisches Produkt, für dessen Erfindung oder Herstellung nicht sowohl physikalischeals auch chemische Kenntnisse notwendig sind – etwa in der Pharmaforschung wirkenBiologie und Chemie erfolgreich zusammen. In der Oberflächenphysik, dem Fachgebietder Essener Arbeitsgruppe um Marika Schleberger, hat eine ähnliche Entwicklung statt-gefunden. Während in den Anfängen dieser Disziplin oft vermeintlich einfache Systeme wieEinkristalloberflächen untersucht wurden, sind es heute immer komplexere Systeme, dieim Mittelpunkt des Interesses stehen.

R

RasterkraftmikroskopieDie Rasterkraftmikroskopie (Atomic Force Microscope, AFM) istein Ableger der Rastertunnelmikroskopie. Beiden Verfahren ist ge-meinsam, dass die Messsonde in einem geringen Abstand mittelseiner Piezokeramik hochpräzise über die Oberf läche gerastertwird. Beim AFM besteht die Messsonde aus einem Federbalken, andessen Ende sich eine etwa 10 Nanometer messende Spitze befin-det. Bringt man die Spitze in die Nähe der Oberf läche, kommt esje nach Abstand und Probe zu einer attraktiven oder repulsivenWechselwirkung, die den Federbalken verbiegt. Hält man die Ver-biegung konstant und verändert während des Rasterns den Ab-stand der Spitze zur Probe, lässt sich das Wechselwirkungspotenzi-al des Systems Oberf läche-Spitze topographisch abbilden. Umweiche Proben wie zum Beispiel Biomoleküle nicht zu beschädi-gen, wird der dynamische noncontact-Modus genutzt. Dabeimisst man nicht die Verbiegung des Federbalkens, sondern die Än-derung seiner Resonanzfrequenz. Dazu genügt es, die Spitze sehrnahe an die zu untersuchenden Oberf läche heranzubringen, einechter Kontakt ist nicht erforderlich. Abbildung 1

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Oberf läche. Die Auslen-kung der Feder wird ge-messen und als direktestopographisches Abbildgespeichert (siehe Abb. 1und Infokasten). Bei der Rastertunnelmikroskopienutzt man aus, dass zwi-schen einer extrem schar-fen Spitze und der Ober-f läche ein (Tunnel-)Stromfließt, der stark vom Ab-stand Probe-Spitze ab-hängt. Auch hier führtdas zeilenweise Abrasternder Probe mit gleichzeiti-ger Messung des Stromszu einem topographischenBild der Oberf läche.

Die Arbeitsgruppe umMarika Schleberger inte-ressiert vor allem, inwie-weit sich die molekularenBausteine, die Biologie undChemie zu bieten haben,

auf einer Oberf läche zu neuen supramolekularen

Einheiten anordnen lassen, die neue, vielleichtüberraschende Funktionen erfüllen. Dass auchChemiker und Biologen gerne wüssten, wie ihreMoleküle als kleinste Funktionseinheiten genauaussehen oder gar funktionieren, versteht sichvon selbst. Der Einsatz von Rastersondenme-thoden kann dazu einen Beitrag leisten. Hatman sich erst einmal an die unterschiedlichenSprachgebräuche der Fachdisziplinen gewöhnt,steht einer erfolgreichen Zusammenarbeit nichtsmehr im Wege. Im Folgenden soll anhand zweieraktueller Forschungsprojekte exemplarisch ge-zeigt werden, wie Physik, Chemie und BiologieHand in Hand gehen.

Proteine Molekulare Chemie befasst sich in erster Line mitden Bindungen zwischen einzelnen Atomen,die man in der Fachsprache als kovalente Bin-dungen bezeichnet, und den Eigenschaften derMoleküle, die daraus entstehen. Zwischen den einzelnen Molekülen gibt es jedoch zusätz-lich intermolekulare Wechselwirkungen, die zurAusbildung größerer Komplexe führen können.Diese supramolekulare Chemie ist eines derGrundprinzipien der Natur. So ist die in der DNAenthaltene genetische Information mit Hilfevon nur wenigen Molekül-Bausteinen kodiert,die sich in komplexer Weise anordnen und dannin der Summe ganz neue, qualitativ höherwertigeEigenschaften aufweisen. Selbstverständlich ist

es verlockend, dieses von der Natur zur Verfü-gung gestellte Prinzip der Selbstanordnung zunutzen und damit neue Strukturen zu schaffen,die möglichst maßgeschneiderte Eigenschaftenbesitzen. Für die Essener Oberf lächenphysikersind biologisch relevante Moleküle Bausteine,die genutzt werden sollen, um zum Beispiel ex-trem feine Drähte zu realisieren.

Oft sind aber die Ordnungsprinzipien nichtstark genug oder derart ausgeprägt, dass sie nichtausgerechnet zu einer drahtartigen Struktur füh-ren. Als Beispiel zeigt Abbildung 2 ein Netzwerkvon Aktin, einem länglichen Protein, das vor al-lem in Muskelfasern vorkommt. Deutlich erkenntman die fadenförmigen Stränge, deren Durch-messer nur einige Millionstel Millimeter beträgt.Eine detaillierte Analyse ergibt, dass die meistenStränge sich offenbar aus lose gebundenen dün-neren Fasern, so genannten Einzelfilamenten,zusammensetzen. In extrem hochaufgelöstenAufnahmen kann man sogar eine Verdrillungdieser Filamente ausmachen. Die Ausbildung desFaserbündel-Netzwerks ist durch Selbstanord-nung zu Stande gekommen und daher so gut wieungerichtet. Eine solche Struktur wäre als ge-zielte Verdrahtung nicht brauchbar.

Die Kunst besteht also darin, Methoden für diegesuchten Bausteine zu nutzen, die einerseitsauf Selbstanordnung beruhen, andererseits aberauch gesteuert werden können – zum Beispieldurch eine Vorstrukturierung des Trägermateri-als. Eine andere Möglichkeit ist das so genanntemicro-contact printing von Proteinen. Im Prinzipfunktioniert das wie ein gewöhnlicher Stempel,nur dass die Muster auf dem Stempel auf Mi-krometer-Skala strukturiert sind und als Stempel-farbe proteinhaltige Lösungen benutzt werden.

Abbildung 2: Rasterkraftmikroskop-Aufnahme einesNetzwerks von Aktinfasern, die auf einer Glimmer-Oberf läche deponiert wurden. Das Bild zeigt eine Flächevon 3.5 x 3.5 Quadratmikrometern. Das entsprichtungefähr einem Hundertstel der Querschnittsf läche einesmenschlichen Haares. Die Aktinfasern selbst sind nurweniger als ein Zehntausendstel so dick wie ein Haar.

Abbildung 3: Rasterkraftmikroskop-Aufnahmevon Ferritin auf Gold. Die Fläche ist 10 x 10Quadratmikrometer groß, die Proteinstreifen sindjeweils etwa einen halben Mikrometer breit.

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Ein solches Stempelbild zeigt Abbildung 3. Indiesem Fall wurde das Protein Ferritin auf eineglatte Goldoberfläche gestempelt. Deutlich sinddie durch den Stempel induzierten Bereiche zuerkennen, in denen sich keine Proteine auf derOberfläche befinden. Ferritin ist ein ca. 12,5 nmgroßes Protein, das bis zu 4500 Eisenatomeaufnehmen kann. Es ist Teil des roten Blutfarb-stoffs und hat dort die Funktion, Sauerstoff zubinden, gewährleistet also unsere Atmung. Ana-lysiert man die rundlichen Erhebungen in Ab-bildung 3 genauer, stellt man fest, dass es sich da-bei um Anhäufungen von drei bis fünfFerritin-Proteinen handelt. Für die Wissenschaft-ler sind dabei neben der gezielten Anordnungauch die magnetischen Eigenschaften von Inte-resse. Das Eisenspeicherprotein Ferritin ist sozu-sagen ein natürlicher Miniatur-Magnet.

Molekulare MagneteGewöhnliche Magnete sind heute aus den Be-reichen der Telekommunikation, der Diag-nostik, der Datenspeicherung oder beim Bauvon Elektromotoren nicht mehr wegzu-denken. Die allgemein bekannten magne-tischen Materialien sind typischerweiseMetalle sowie deren Legierungen oderOxide, also anorganische Festkörper.

Landläufig verbindet man mit Magnetis-mus auch metallische Eigenschaften. Diesist aber nicht zwingend so. Magnetismus istcharakterisiert durch eine langreichweitigespontane Ausrichtung der magnetischenMomente. Damit es zu dieser Ordnung kom-men kann, die sich als permanente Magnetisie-rung äußert, müssen die magnetischen Momen-te in Wechselwirkung miteinander treten (vgl.Kasten). Dies ist für Metallelektronen in Fest-körpern einfach, für Metallelektronen in orga-nischen Komplexen jedoch schwierig. Erst 1987wurde in einer metallorganischen und 1991 ineiner rein organischen Substanz ferromagneti-sches Verhalten nachgewiesen. Seitdem sind eineReihe solcher organischer magnetischer Materia-lien auf der Basis molekularer Bausteine syntheti-siert worden. Im Gegensatz zu ihren metallischenKollegen sind diese Magnete durch Kunststoff-Eigenschaften geprägt.

Diese so genannten molekularen Magnete sindmeist Makromoleküle, die organische Bestand-teile wie Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauer-stoff sowie dia- oder paramagnetische Ionenwie Molybdän, Eisen, Mangan, Nickel, Chromoder Kupfer enthalten. Aber es kann sich auchum organische magnetische Substanzen handeln,bei denen die Kopplung zwischen Hochspin-

molekülen – zum Beispiel freien Radikalen, dasheißt wenig stabilen und dadurch hochreaktivenMolekülen – erfolgt. Die intermolekulare Wech-selwirkung ist in der Regel klein, man kann daherauch in einem Ensemble die Eigenschaften eineseinzelnen Moleküls messen. Die topologischeStruktur ist vielfältig und reicht von einfachenDimeren über Würfel bis hin zu ringförmigenStrukturen (ferric wheels) und sehr komplexenKörpern.

Als Beispiel zeigt Abbildung 4 das zurzeit größtesynthetisierte magnetische Molekül. Es trägt ne-ben 72 Molybdän- Atomen auch

dreißig hoch symme-trisch angeordnete Eisenatome und heißt deswegen in der Kurz-form auch Fe30. Interessant aus der Anwendungsperspektive sinddiese Minimagnete zum Beispiel als Speicherbits,wo im Idealfall jedes dieser Moleküle ein Bit wä-re. Das würde zu theoretischen Speicherdichtenvon 40 TeraBit/inch2 führen, immerhin einFaktor 1000 mehr als heute üblich. Aber auchlichtinduzierte Nanoschalter oder die Verwen-dung für Displays stehen auf der Liste der poten-ziellen Möglichkeiten. Grundlage fast jeder zu-künftigen technologischen Anwendung wird esallerdings sein, solche molekularen Magnete inirgendeiner Form auf einem Träger anzuordnen.Damit eröffnen sich direkt neue interessante

Abbildung 4: Modellbildvon Fe30, einem molekularenMagneten, dessen Eisenatomeauf den Eckpunkten einesplatonischen Körpers, alsoeines regelmäßigen Polyeders,hier eines Ikosidodekaeders,angeordnet sind. Der Durch-messer des Balles beträgt 2,5Nanometer. Die Kugelnsymbolisieren Eisenatome, dieFarben der Kugeln sindjeweils einem Spinuntergitterzugeordnet.

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Fragen: Wie be-kommt man dieMoleküle aufdas Trägerma-terial? Kannman sie ge-

z i e l tanordnen?

Welche Strukturhaben sie dort?

Eines der Moleküle, die die Esse-ner Arbeitsgruppe verwendet, ist das Ni-

troxylradikal 2,2,6,6-tetramethylpiperidinyl-1-oxyl, kurz Tempo. Es ist eine Vorstufe einesmolekularen Magneten, da das Metallion (zumBeispiel Cobalt) leicht eingebunden werdenkann.

Löst man die rötliche, pulvrige Substanz in ei-nem geeigneten Lösungsmittel auf und gibt danneinen Tropfen davon auf eine atomar glatteGold-Oberf läche, erhält man mit dem Raster-tunnelmikroskop zunächst ein Bild, wie in Ab-bildung 6 oben zu sehen ist.

Die hellen Stellen entsprechen einem großenTunnelstrom und damit einer Erhebung, diedunklen sind entsprechend tiefer gelegene Stel-len. Innerhalb der helleren Bereiche erkennt maneine periodische Höhenmodulation, die durchdas Tempo verursacht wird. Offenbar neigt Tem-

po dazu, sich sehr regelmäßig anzuordnen.

Unter optimierten Versuchsbedingungen kannman besser aufgelöste Bilder des Moleküls er-halten, wie in Abbildung 6 unten gezeigt. Ausdem Vergleich mit Strukturmodellen für die je-weilige Substanz kann man versuchen, auf dieAnordnung der Moleküle auf der Oberfläche zuschließen. Im Falle von Tempo liegt der ringför-mige Teil der Struktur nicht f lach auf der Ober-f läche, sondern steht senkrecht darauf – eineKonfiguration, die man sehr häufig findet. Dabei bindet ein Teil des Moleküls stark an die Substratoberf läche und stabilisiert sich ge-genüber seinen Nachbarn über Wasserstoff-brücken.

Sind erst einmal geeignete Präparationsbedingun-gen gefunden, tun sich neue Fragen auf: Verän-dern sich die magnetischen oder elektronischenEigenschaften der Moleküle durch die Wechsel-wirkung mit der Oberf läche? Wenn ja, kannman das vielleicht sogar ausnutzen? Bis hin zufunktionellen künstlichen Nanostrukturen istes selbstverständlich noch ein weiter Weg. Aberdank gemeinschaftlicher Forschungsanstren-gungen gleich dreier Fachdisziplinen sollte erzu bewältigen sein.

MagnetismusDie charakteristische Eigenschaft eines Ferromag-neten ist das Auftreten einer spontanen langreich-weitigen Magnetisierung unterhalb einer kritischenTemperatur TC. Die Ursache für dieses kollektivePhänomen ist die quantenmechanische Austausch-wechselwirkung, die für Teilchen mit antisymmetri-scher Gesamtwellenfunktion, also Fermionen, auf-tritt. Sie vollstreckt quasi das Pauli-Prinzip,nachdem sich zwei Fermionen mit gleicher Spin-quantenzahl nicht am gleichen Ort aufhalten dür-fen. Im Falle des itineranten Ferromagnetismussind die spintragenden Einheiten des Festkörpersdie Valenzelektronen und sie unterliegen als Fer-mionen dem Pauliprinzip. Die Austauschwechsel-wirkung begünstigt eine Parallelstellung der einzel-nen Spins. Bei den meisten Festkörpern wird alsFolge der Delokalisierung der Valenzelektronen derGewinn an Austauschenergie aber durch eine Zu-nahme der kinetischen Energie wieder kompensiert.Daher ist Ferromagnetismus eher die Ausnahme.

Abbildung 5: Modellbild des Tempo-Moleküls. DasNitroxyl-Radikal ist durch die dunkelblaue und die rote Kugel symbolisiert.

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Abbildung 6: Rastertunnelmikroskopie-Aufnahme von Tempo-Molekülen auf Gold.Unten ein 31 x 31 nm2, oben ein 11 x 11 nm2 großer Ausschnitt. Die Bilder wurdenan der Universität Nijmegen mit einer dort entwickelten speziellen Version einesRastertunnelmikroskops gemacht, die es erlaubt, extrem kleine Tunnelströme an Luftund in Flüssigkeiten zu messen.

Ko n t a k tProf. Dr. Marika SchlebergerInstitut für Experimentelle Physik

Tel. 02 01/1 83-24 39Tel. 02 01/1 83-26 43marika.schleberger@uni-essen.dehttp://marvin.iep.physik.uni-essen.de/

Pa r t n e rProf. Dr. Sylvia Speller Experimental Solid State Physics II

University of Nijmegen, Niederlande

sspeller@sci.kun.nl

Prof. Dr. Peter JaitnerUniversität Innsbruck

Institute of General, Inorganic and Theoretical Chemistry

Universität Innsbruck, Österreich

Peter.Jaitner@uibk.ac.at

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