Besondere Atombewegung live gefilmt:
Das haben wir noch nie gesehen

Erstmals wurden die geheimnisvollen Bewegungen von Atomen wäh­rend einer katalytischen Reaktion in Echtzeit gefilmt. Die Aufnahmen offenbaren die dynamische Choreografie chemischer Prozesse, die bisher nur in der Theorie verstanden wurden.
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Ein Atom tanzen sehen

Ein spezielles Elektronenmikroskop (SMART-EM) filmte die Vorgänge. Statt starker Strahlen, die Moleküle zerstören, nutzt es schwache Elektronenpulse - vergleichbar mit einer spezialisierten Hochgeschwindigkeitskamera. So blieben selbst instabile Zwischenprodukte wie kurzlebige Moleküle mit Sauerstoff- und Kohlenstoffverbindungen sichtbar.

Der Katalysator - ein Molybdänoxid-Partikel auf einer Kohlenstoffnanoröhre - (im Video zu sehen als runde "Spitze" auf der gebogenen Faser) spaltete Wasserstoff von Isopropanol ab. Überraschend war, dass sich dabei Aldehyde spontan an den Katalysator hefteten und Ketten bildeten - ein Effekt, der bisherige Labormodelle infrage stellt. Solche Polymere könnten in industriellen Prozessen unerwünschte Nebenprodukte sein.

Einblick in chemische Reaktionen: Zwischenprodukte sichtbar gemacht

In der Vergangenheit konnten wir nicht sehen, wie sich Atome bewegen. Jetzt können wir es. Als mir klar wurde, was wir erreicht haben, musste ich meinen Laptop schließen und ein paar Stunden Pause machen. Niemand hat das bisher in der Katalyse geschafft, ich war also verblüfft.
Yosi Kratish, Leitautor

Warum ist die Auflösung so beeindruckend?

Das Mikroskop zeigt Details von 0,1 Ångström - das ist ein Zehnmilliardstel Meter. Man sieht nicht nur Atome, sondern auch, wie sie leicht vibrieren, wenn sie Bindungen eingehen oder lösen. Die SMART-EM-Technik wurde 2018 in Tokio entwickelt und jetzt erstmals für Katalysatorstudien genutzt. Die entdeckten Polymerketten deuten darauf hin, dass bisherige Produktionsverfahren für Treibstoffe oder Medikamente unerwünschte Nebenreaktionen übersehen haben könnten. SMART-EM zeigt Atombewegung Yosi Kratish, Leitautoren, betont: "Jetzt verstehen wir, warum manche Reaktionen stocken oder plötzlich ablaufen." Die Studie erschien im Fachjournal Chem.

Geschichte der Mikroskopie

  • 1590
    Erstes Mikroskop von Hans und Zacharias Janssen (Linsentubus)
  • 1665
    Robert Hooke prägt den Begriff "Zelle" mit einem Lichtmikroskop
  • 1674
    Antonie van Leeuwenhoek beobachtet Bakterien und Spermien
  • 1830
    Joseph Jackson Lister verbessert Linsen, verringert chromatische Aberration
  • 1931
    Erstes Elektronenmikroskop (TEM) von Ernst Ruska und Max Knoll
  • 1937
    Erstes Rasterelektronenmikroskop (REM)
  • 1951
    Phasenkontrastmikroskopie (für lebende Zellen geeignet)
  • 1981
    Entwicklung des Rastertunnelmikroskops (STM) durch Binnig & Rohrer → Erstmals einzelne Atome sichtbar gemacht
  • 1986
    Entwicklung des Rasterkraftmikroskops (AFM) → Atomare Auflösung bei nichtleitenden Oberflächen
  • 2008
    Elektronenmikroskopie mit atomarer Auflösung in 3D (TEAM-Projekt)
  • 2013
    Elektronenmikroskope erreichen Auflösung unterhalb von 50 Pikometer

Zusammenfassung
  • Atombewegungen bei katalytischer Reaktion erstmals direkt gefilmt
  • Spezial-Elektronenmikroskop SMART-EM ermöglicht Aufnahmen von Atomen
  • Molybdänoxid-Katalysator spaltet Wasserstoff von Isopropanol ab
  • Überraschende Bildung langer Polymerketten am Katalysator beobachtet
  • Bisherige Labormodelle werden durch neue Erkenntnisse infrage gestellt
  • Mikroskop zeigt Details von 0,1 Ångström und Vibration von Atomen
  • Studie könnte Auswirkungen auf industrielle Produktionsverfahren haben

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Thema:
Forschung & Wissenschaft
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