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Physikalische Chemie

Wie man misst, wie sauer ein Atom ist

Oberflächenforscher mit Rasterkraftmikroskop: Ulrike Diebold, Margareta Wagner, Michael Schmid, Bernd Mayer, Martin Setvin.
Oberflächenforscher mit Rasterkraftmikroskop: Ulrike Diebold, Margareta Wagner, Michael Schmid, Bernd Mayer, Martin Setvin.TU Wien
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Physikerinnen an der TU Wien entwickelten eine Methode zur Messung des Säuregrads einzelner Atome an Oberflächen.

Wir alle haben im Gefühl, was die Stoffeigenschaften sauer und basisch bedeuten. Sache der Wissenschaft Chemie ist bzw. war es, daraus ein Konzept zu bilden. Durchgesetzt hat sich eines, das Johannes Nicolaus Brønsted und Thomas Lowry 1923 vorgeschlagen haben und das quasi auf einer Tätigkeitsbeschreibung beruht: Eine Säure gibt Wasserstoffionen (H+, also im Grunde Protonen) ab, eine Base nimmt sie auf. Wie gern eine Substanz das eine tut und das andere lässt (bzw. umgekehrt), beschreibt eine Eigenschaft namens Protonenaffinität, die man als Energie messen kann.

Aber kann man von einem einzelnen Atom – etwa in der Oberfläche eines Festkörpers – sagen, wie sauer es ist? Naturwissenschaftlicher gefragt: Kann man das messen? Forscher um Ulrike Diebold vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien haben dafür eine Methode entwickelt – mit ihrem Lieblingsgerät, dem Rasterkraftmikroskop. Das ist im Grunde eine winzige Sonde, die eine Oberfläche abtastet und im atomaren Größenbereich misst, welche Kräfte dort wirken. Im konkreten Fall auf Indiumoxid (In2O3), das Wasserdampf ausgesetzt wird. Die Wassermoleküle zerfallen in H+-Ionen und OH-Ionen, diese hängen sich an die Indium-Atome, jene an die Sauerstoffatome der Oberfläche. Von diesen gibt es aus geometrischen Gründen mindestens vier Typen, die ihre H+-Ionen unterschiedlich stark festhalten. Sie sind also, chemisch gesagt, unterschiedlich sauer.