Forschen in der Nano-Welt

Mit der Entstehung der Quantentheorie zu Beginn des letzten Jahrhunderts wurde zum ersten Mal klar, dass in der Mikrowelt der Atome andere Gesetze herrschen, als in der uns umgebenden, wahrnehmbaren Welt. Eine von Prof. Erminald Bertel geleitete Arbeitsgruppe am Institut für Physikalische Chemie widmet sich der Erforschung selbststrukturierender, gestaltbildender Kräfte in der Nano-Welt.
Stickoxidmoleküle auf einer mit Bromatomen behandelten Platin-Oberfläche
Stickoxidmoleküle auf einer mit Bromatomen behandelten Platin-Oberfläche
Die zunehmende Nutzung quantenphysikalischer Gesetzmäßigkeiten in der modernen Technik wirft die Frage auf, wie Schalter, Speicherbausteine oder Zahnräder in der Größe von einigen Atomen hergestellt werden können. Eine wichtige Möglichkeit, Atome im Bereich von einem Milliardstel Meter anzuordnen, beruht auf dem Prinzip der Selbststrukturierung. Zur Erzeugung von sogenannten Nano-Strukturen wird versucht, die der Materie innewohnenden, gestaltbildenden Kräfte so zu steuern, dass die Atome sozusagen freiwillig die gewünschten Strukturen ausbilden.

Das Team um Prof. Bertel ist heute in der Lage unterschiedlichste räumliche Strukturen auf Trägermaterialien zu realisieren. Durch eine elastische Verspannung bildet etwa eine Platin-Oberfläche Wellenstrukturen von einem Zehnmillionstel Meter Länge und einem Milliardstel Meter Höhe aus. Durch geringfügige Zugabe unterschiedlicher Atome wird dieser Prozess sogar steuerbar. Eine mögliche Anwendung könnten solche Strukturen etwa im Bereich optischer Bauelemente für ultraviolettes Licht finden.

Das Bild oben zeigt Stickoxidmoleküle, die auf einer speziell vorbehandelten und mit Hilfe kleinster Brommengen chemisch veränderten Platin-Oberfläche angelagert sind. Die Tendenz Zick-Zack-Reihen auszubilden ist dabei unübersehbar. Worauf es den Innsbrucker Forschern aber eigentlich ankommt, sind die dazwischenliegenden geraden dunklen Linien. Dabei handelt es sich um eine Art eingefrorener Wellen in der Oberfläche (sogenannten Solitonen), deren Zahl und Anordnung mit angelagerten Molekülen gesteuert werden kann. Dieses Phänomen könnte eventuell als Grundlage für einen hochempfindlichen Gas-Sensor nutzbar gemacht werden. Derzeit befinden sich diese gestaltbildenden Mechanismen in der Nano-Welt noch im Forschungsstadium, längerfristig könnten aber aus solchen Studien optische Komponenten oder neue hochempfindliche Sensoren entstehen.