From London to Morse via Binnig, Quate, and Gerber

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der man einzelne Atome sehen und berühren kann, die winzigen Bausteine, aus denen alles um uns herum besteht. Seit Jahrzehnten nutzen Wissenschaftler eine spezielle Art von Mikroskop, das Rasterkraftmikroskop, um genau das zu tun. Anstatt Licht zu verwenden, das zu groß ist, um Atome zu sehen, verwendet dieses Instrument eine Nadel, die so scharf ist, dass sie in einem einzelnen Atom endet. Während diese Nadel über einer Oberfläche schwebt, spürt sie die unsichtbaren Kräfte, die zwischen ihr selbst und den darunter liegenden Atomen ziehen oder drücken. Diese Kräfte reichen von den sehr schwachen, sanften Zügen, die Staub zusammenhalten, bis hin zu den unglaublich starken Bindungen, die Moleküle zusammenhalten. Die große Frage für Forscher war schon immer: Ist diese Nadel nur ein passiver Beobachter, der still und leise aufzeichnet, was vorhanden ist, oder ist sie ein aktiver Teilnehmer, der das verändert, was er sieht?

Ein Team von Forschern der University of Nottingham und anderer Institutionen hat zwanzig Jahre damit verbracht, diese Frage zu beantworten. Sie haben eine Reise durch die verschiedenen Arten von Kräften unternommen, die auf der atomaren Skala existieren, beginnend mit den schwächsten und sich zu den stärksten vorarbeitend. Ihre Arbeit zeigt, dass die Nadel niemals nur ein passiver Beobachter ist; sie interagiert immer mit der Oberfläche, manchmal sanft und manchmal so stark, dass sie Atome umbewegt. Durch das Verständnis darüber, wie genau sich die Nadel verhält, haben sie gelernt, winzige Strukturen Atom für Atom aufzubauen, und sie bringen nun Computern bei, ihnen dabei noch besser zu helfen.

Die Geschichte beginnt mit den schwächsten Kräften, jenen, die Nanopartikel in einer dünnen Schicht auf einer Oberfläche zusammenhalten. Die Forscher beobachteten einen Film winziger Goldpartikel, die jeweils nur etwa zwei Nanometer breit sind und auf einer Siliziumoberfläche liegen. Als sie diese Oberfläche mit ihrer atomaren Nadel scannten, geschah etwas Überraschendes. Die Partikel, die anfangs in einem chaotischen, labyrinthartigen Muster verstreut waren, begannen, sich zu größeren, glatteren Klumpen neu anzuordnen. Dies geschah nicht durch Hitze oder natürliche Alterung; es geschah, weil die Nadel selbst die Partikel beim Hin- und Herbewegen des Scans schob und zog. Die Nadel wirkte wie eine winzige, lokale Energiequelle, die die Partikel so lange anstieß, bis sie eine stabilere Anordnung fanden. Dieser Prozess, genannt Vergröberung (Coarsening), zeigte, dass selbst die sanfteste Berührung des Mikroskops eine Oberfläche umgestalten konnte, was bewies, dass das Werkzeug selbst die Veränderung vorantrieb.

Beim Aufstieg auf der Skala der Stärke untersuchte das Team, wie zwei einzelne, fußballgroße Moleküle, bekannt als Fullerene, miteinander interagieren. Es gelang ihnen, eines dieser Moleküle aufzunehmen und an die Spitze ihrer Nadel zu kleben. Dann brachten sie diese Spitze nahe an ein weiteres Fullerene, das auf der Oberfläche saß. Durch die Messung der Kraft zwischen ihnen kartierten sie genau, wie die beiden Moleküle einander anzogen und abstoßen. Sie fanden heraus, dass die Art und Weise, wie die Moleküle relativ zueinander orientiert waren, eine große Rolle spielte. Obwohl die Gesamtkraft anziehend war, bedeutete die spezifische Form der Moleküle, dass die abstoßenden Kräfte zwischen ihren Atomen tatsächlich bestimmten, wie sie zusammen fanden. Diese detaillierte Kartierung zeigte, dass die Wechselwirkung weit komplexer war als eine einfache Anziehung; es war ein delikates Gleichgewicht der Kräfte, das vollständig davon abhing, wie die Moleküle gedreht waren.

Die Forscher wandten ihre Aufmerksamkeit dann einer häufigen Art chemischer Verbindungen zu, dem Wasserstoffbrückenbindungen, die entscheidend dafür sind, viele biologische Moleküle zusammenzuhalten. In der Vergangenheit hatten Wissenschaftler behauptet, diese Bindungen direkt in Mikroskopbildern als helle Linien zu sehen, die Moleküle verbinden. Das Nottinghamer Team fand jedoch heraus, dass diese hellen Linien oft Illusionen waren. Wenn sie eine Oberfläche scannten, auf der Moleküle durch Wasserstoffbrückenbindungen zusammengehalten wurden, sahen sie helle Linien genau dort, wo die Bindungen sein sollten. Doch als sie die Daten sorgfältig analysierten, erkannten sie, dass diese Linien nicht die Bindungen selbst waren. Stattdessen wurden sie dadurch verursacht, dass die flexible Spitze des Mikroskops beim Bewegen über die Oberfläche leicht verbog, was ein Bild erzeugte, das wie eine Bindung aussah, selbst wenn keine vorhanden war. Diese Entdeckung war eine bedeutende Korrektur für das Fachgebiet und zeigte, dass das, was wie eine chemische Bindung in einem Mikroskopbild aussieht, lediglich ein Artefakt der eigenen Bewegung des Werkzeugs sein kann.

Um über diese Illusionen hinauszugehen, widmete sich das Team den stärksten Kräften von allen: kovalenten Bindungen, welche die starren Verbindungen sind, die Atome in einer festen Struktur zusammenhalten. Sie konzentrierten sich auf eine Siliziumoberfläche, auf der Paare von Atomen, sogenannte Dimere, fest miteinander verbunden waren, aber wie ein Schalter vor und zurückkippen konnten. Indem sie die Nadel mit genau der richtigen Kraft nach unten drückten, waren sie in der Lage, diese atomaren Schalter umzukippen und so die Orientierung der Atome auf Kommando zu ändern. Sie stellest jedoch fest, dass sie nicht nur ein einzelnes Atom isoliert umkippen konnten; die Aktion beeinflusste immer auch dessen Nachbarn. Dies lehrte sie, dass die lokale Umgebung entscheidend ist; die Atome sind so eng miteinander verbunden, dass die Änderung eines Atoms unweigerlich auch die der anderen verändert. Diese Ebene der Kontrolle ist essenziell für den Bau zukünftiger Geräte auf atomarer Skala, erfordert aber ein tiefes Verständnis davon, wie die gesamte Gruppe von Atomen auf die Sonde reagiert.

Das ultimative Ziel dieser Arbeit ist es, Strukturen von unten nach oben aufzubauen, indem man Atome einzeln platziert, um neue Materialien zu erschaffen. Das Team demonstrierte dies, indem es einzelne Kupferatome von einer Oberfläche aufhob und sie in einem spezifischen Muster ablegte. Sie lernten, dass sie die Atome nicht einfach nur seitlich verschieben können; manchmal mussten sie sie von der Oberfläche abheben und an einem neuen Ort absetzen. Diese vertikale Manipulation ermöglichte es ihnen, Atomcluster zu bauen, die durch bloßes seitliches Verschieben nicht herstellbar wären. Beispielsweise gelang es ihnen, einen dichten, dreieckigen Cluster aus drei Kupferatomen zu erzeugen – eine Form, die durch rein seitliche Bewegungen unmöglich zu bilden gewesen wäre. Diese Fähigkeit, Atome sowohl auf und ab als auch seitlich zu bewegen, eröffnete neue Wege zum Konstruieren komplexer, dreidimensionaler Formen auf atomarer Ebene.

Während all dieser Experimente erkannten die Forscher, dass die Form ihrer Nadel die wichtigste Variable war. Eine perfekte, einzelne Atomspitze ist ein Ideal, das in der Realität selten existiert. Ihre Mikroskopspitzen waren oft unordentlich, mit mehreren hervorstehenden Atomen, was die Art und Weise veränderte, wie sie mit der Oberfläche interagierten. Manchmal half diese Unordnung ihnen, Dinge zu sehen, die sie mit einer perfekten Spitze nicht gesehen hätten, aber ein andermal erzeugte sie verwirrende Bilder. Um dies zu lösen, begannen sie, künstliche Intelligenz einzusetzen, um ihnen zu helfen. Sie trainierten Computerprogramme, um die Form der Spitze zu erkennen und zu entscheiden, wie sie diese am besten bewegen. Diese Programme konnten aus Tausenden von Versuchen lernen, um die perfekte Sequenz von Bewegungen zu finden, um Atome aufzuheben und abzulegen, wodurch der Prozess des Bauens mit Materie effektiv automatisiert wurde.

Die Arbeit dieses Teams unterstreicht eine fundamentale Wahrheit über den Blick in die atomare Welt: Das Werkzeug, das man benutzt, ist Teil des Experiments. Man kann die Atome nicht einfach nur beobachten; man interagiert immer mit ihnen. Ob man nun ein Partikel sanft anstößt, einen Schalter umlegt oder eine neue Struktur baut – das Mikroskop ist ein aktiver Teilnehmer. Durch das Verständnis der Grenzen und Fähigkeiten ihrer Werkzeuge und durch den Einsatz intelligenter Computer zur Steuerung bewegen sich diese Wissenschaftler näher an eine Zukunft heran, in der wir Materialien Atom für Atom entwerfen und bauen können, um Dinge zu erschaffen, die es bisher noch nie gegeben hat.