Tiefe Einblicke in Wasser
Allgemeiner Überblick:
Das Tieftemperatur-Rastertunnel-Rasterkraftmikroskop (TT-STM/AFM) ist eine Kombination aus einem Rasterkraftmikroskop und einem Rastertunnelmikroskop. Diese Kombination zweier leistungsfähigen Rastersondenmikroskope ermöglicht die Charakterisierung atomarer und elektronischer Strukturen verschiedener Probenoberflächen bei tiefen Temperaturen, sowie die Manipulation einzelner Moleküle und Atome auf der Probenoberfläche. Um dies zu ermöglichen, wird das Mikroskop besonders vor Störquellen abgeschirmt und mit flüssigem Helium gekühlt.
Colored STM images of an ice hexamer (a), heptamer (b), octamer (c), and nonamer (d) on Cu(111) and Ag(111) [Michaelides et al., Nat. Mat. 6 (2007) 597].
STM images of four different ice structures on Cu(111) formed by annealing to 118 K (a), 130 K (b), 140 K (c), and 149 K (d) [Mehlhorn et al., PRL 99 (2007) 246101]
Schon immer spielte Wasser eine zentrale Rolle für die Weltbevölkerung. Auch heutzutage hat sich aufgrund der interessanten Eigenschaften dieses simplen Moleküls der Stellenwert nicht geändert und Wasser findet u.a. Anwendung als Lösemittel in der chemischen Industrie. Erst vor 60 Jahren ist ein weiteres Geheimnis des Wassers, bzw. Eis, gelüftet worden: Die Solvatation von Elektronen, dessen Mechanismus in Abbildung 1 dargestellt ist.
Abb. 1: Schematische Darstellung der Erzeugung und der Messung solvatisierter Elektronen in D2O Eis auf einem metallischem Substrat. Das erste Laser-Photon regt den Übergang eines Elektrons in das Leitungsband des Eis an (e-Transfer Metall ->Eis). Nach einigen Relaxierungsschritten wird das Elektron an Fehlstellen des Festkörpers der Eisschicht „gefangen“ (e-Lokalisierung) und kann im Grundzustand solvatisiert werden (e-Solvatation). Bevor das Elektron weiter in das Metall relaxiert (e-Transfer Eis -> Metall), kann es durch ein zweites Laser-Photon erneut angeregt werden, um mithilfe eines Flugzeit-Massenspektrometers detektiert zu werden.
Innerhalb eines Teams verschiedener Naturwissenschaftler der Ruhr-Universität Bochum untersuchen wir, zusammen mit Forschern der Universität Duisburg/Essen und der Universität Erlangen, die Anwendungsmöglichkeiten dieser solvatisierten Elektronen. Unser Ziel ist es, die kontrollierte Reaktion der Elektronen mit Molekülen auf der Eisoberfläche zu ermöglichen. Im Rahmen dieses Projektes werden zusätzlich die Strukturunterschiede von Eis auf verschiedenen Substraten bei tiefen Temperaturen untersucht.
Abb. 2: Spektren solvatisierter Elektronen in 4 BL Eis und auf 1 BL Eis. Oben: Schematische Darstellung des solvatisierten Elektrons in 4 BL Eis (links) und auf 1 BL Eis (rechts). Beide Spektren zeigen ein Maximum bei 2,9 eV, das dem solvatisierten Elektron zugeordnet wird.
Further reading:
http://news.rub.de/wissenschaft/2017-01-20-chemie-wie-entstehen-filigrane-eiskristalle
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