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Illustration der Photoemissions-Orbital-Tomographie: Elektronen werden aus einem Sigma-Orbital (gelb) des Nanographene-Moleküls C28H14 (schwarz) herausgelöst, und deren Winkelverteilung wird gemessen (rot). Bild: P. Puschnig/Uni Graz

Neues Verfahren bildet Molekülorbitale umfassend ab – hilfreich für Anwendungen zur Wasserstoffspeicherung

Orbitale zeigen – ähnlich wie eine Aufnahme mit Langzeitbelichtung –, wo sich Elektronen um ein Atom oder Molekül herum aufhalten. PhysikerInnen aus Graz, Jülich und Marburg ist nun ein wichtiger Schritt bei der Abbildung dieser räumlichen Verteilung geglückt. Ihnen gelang es erstmals, neben den sogenannten Pi-Orbitalen auch Sigma-Orbitale zu erfassen. Letztere sind insbesondere für die Bindungen zu Wasserstoffatomen in Kohlenwasserstoffen verantwortlich. Sie spielen somit eine wichtige Rolle bei chemischen Prozessen, die für die Speicherung von Wasserstoff – einem Energieträger der Zukunft – relevant sind. Die Darstellung hilft, den Ablauf chemischer Reaktionen auf molekularer Ebene noch genauer zu beobachten, wie die Forschenden in der renommierten Fachzeitschrift Science Advances berichten.

Vor einem Jahr hatten PhysikerInnen der Universität Graz, des Forschungszentrums Jülich und der Universitär Marburg eine Methode entwickelt, um Bilder von Elektronenorbitalen in extrem hoher zeitlicher Auflösung aufzunehmen. Die Ergebnisse erschienen im bekannten Fachjournal Science. Nun gelang es ihnen erstmals, durch eine Erweiterung des Energiebereichs mit dem Verfahren neben den Pi- auch Sigma-Orbitale sichtbar zu machen. „Dazu nutzen wir das an der Universität Graz entwickelte Messverfahren der Photoemissions-Orbital-Tomographie“, erläutert Peter Puschnig. „Bislang war es nicht möglich, die für die Bindung von Wasserstoffatomen relevanten Sigma-Orbitale abzubilden, weil zum einen die Energie der verwendeten Photonen nicht ausreichte und zum anderen die Analyse der Messdaten zu herausfordernd war.“ Das erste Problem konnte nun durch die neuen Experimente mit Synchrotronstrahlung an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Berlin in Zusammenarbeit mit Mathias Richter und Alexander Gottwald gelöst werden. Und für die Auswertung der Messdaten wurde in Puschnigs Arbeitsgruppe an der Universität Graz ein eigenes Softwarepaket entwickelt, das die detaillierte Analyse der Sigma-Orbitale erstmalig ermöglichte.

Die Arbeit ist das Ergebnis einer Kooperation der Uni-Graz-Physiker Peter Puschnig und Michael. G. Ramsey mit der Arbeitsgruppe um Stefan Tautz am Forschungszentrum Jülich. Michael Gottfried von der Universität Marburg unterstützte bei der Vorbereitung der Experimente.

Publikation
Momentum-space imaging of σ-orbitals for chemical analysis
Anja Haags, Xiaosheng Yang, Larissa Egger, Dominik Brandstetter, Hans Kirschner, François C. Bocquet, Georg Koller, Alexander Gottwald, Mathias Richter, J. Michael Gottfried, Michael G. Ramsey, Peter Puschnig, Serguei Soubatch, F. Stefan Tautz
Science Advances, 22.07.2022, DOI: 10.1126/sciadv.abn0819

Gudrun Pichler

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