Kraft-induzierte Dissoziation von Einzelmolekülen

• Antragsteller: Dr. Alexander Saywell
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 242887252

Die Dissoziation von Bindungen ist ein grundlegender Prozess in allen chemischen Reaktionen. Während einzelne Bindungen innerhalb eines Moleküls mit Hilfe von Tunnelektronen in der Rastertunnelmikroskopie (STM) in der Vergangenheit gebrochen wurden, konnten solche Prozesse durch Kräfte bisher nicht induziert werden. Die zentrale Fragestellung dieses Projekts ist, ob sich solche Prozesse innerhalb einzelner Moleküle auf einer Oberfläche auslösen lassen und die zum Brechen der chemischen Bindungen benötigte Kraft mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) gemessen werden kann. Eine Kombination aus Kraftspektroskopie und topographischer Abbildung sollte dabei die Charakterisierung der Kräfte und Potentialenergien während der Wechselwirkung zwischen Sonde und Molekül erlauben und das Molekül vor und nach dem Vorgang mit sehr hoher Auflösung abbilden.Da bereits gezeigt werden konnte, dass sich Kohlenstoff-Halogen (C-X)-Bindungen in organischen Molekülen mit anderen Methoden (z. B. thermisch) selektiv brechen lassen, wird auch in diesem Projekt diese Art von kovalenter Bindung untersucht. Dabei werden Moleküle, die eine reaktive C-X-Einheit enthalten, unter Ultrahochvakuumbedingungen auf eine Oberfläche aufgebracht und eine metallische Spitze des AFM angenähert um die C-X-Bindung zu dissoziieren. Währenddessen wird die Kraft zwischen Molekül und Spitze gemessen. In diesen Experimenten wird (1) untersucht, ob sich eine C-X-Bindung in einem Molekül durch das Ausüben einer Kraft bei tiefen Temperaturen von 120 K dissoziieren lässt und (2) aus der ausgeübten Kraft Information zur Potentialenergielandschaft gewonnen werden kann. Die Dissoziation einer C-X-Bindung wird typischerweise durch die Wechselwirkung des Moleküls mit einer Metalloberfläche (häufig Cu, Ag oder Au) als katalytisch aktiver Umgebung angetrieben. Zusätzliche Experimente werden daher (3) die Abhängigkeit der gemessenen Kraft von den chemischen Eigenschaften des Systems untersuchen, indem verschiedene Metalle an der AFM-Spitze oder unterschiedliche Halogenspezies (Brom oder Jod) in den Molekülen verwendet werden. Außerdem wird (4) in Analogie zu konventionellen Syntheseprozessen, die thermisch induziert werden, der Einfluss der Substrattemperatur auf den Dissoziationsprozess untersucht werden.Dieses Projekt stellt einen völlig neuartigen experimentellen Zugang zur Dissoziation chemischer Bindungen mit Hilfe von interatomaren Kräften dar und kann Einblick in die Rolle der chemischen Umgebung des Moleküls auf der atomaren Skala und der Temperatur während der chemischen Reaktion geben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen