Reaktionen in den obersten Atomlagen

Titanoxid ist eine interessante Substanz: Sie ist ein sogenannter „Fotokatalysator“. Das bedeutet, dass sie chemische Reaktionen beschleunigt, sobald sie mit Licht bestrahlt wird. Zum Beispiel die Oxidation von organischen Substanzen durch Luftsauerstoff zu CO2 und Wasser. Kürzlich ist es Forschern gelungen, ein Pulver zur Beschichtung von Baumwollfasern herzustellen, durch das z. B. ein Kaffeefleck auf einem Hemd durch die Einwirkung von Sonnenstrahlen von selbst verschwindet.

Das funktioniert. „Man weiß aber noch nicht genau, wie es funktioniert“, sagt Ulrike Diebold, Forscherin an der TU Wien. Durch einen mit 2,5 Millionen Euro dotierten „ERC Advanced Grant“ will sie nun Licht ins Dunkel bringen. Diebold ist Spezialistin für die Erforschung von Oberflächen, ihr Werkzeug ist das Rastertunnelmikroskop: Dabei wird eine äußerst feine Spitze ganz nah an die Oberfläche einer Probe herangeführt, in der Folge fließt ein Tunnelstrom, dessen Stärke ein Maß für den Abstand zwischen der Spitze und dem nächsten Atom ist. Auf diese Weise kann man genau sehen, wie die einzelnen Atome an der Oberfläche angeordnet sind. Man kann zusätzliche Moleküle auf die Oberfläche setzen und direkt beobachten, wie sich die Anordnung der Atome ändert.

Defekte verändern Reaktivität. Die Reaktionen laufen zwar an der Oberfläche ab, dennoch sind auch die darunterliegenden Schichten wichtig. „Wenn in einem Atomgitter ein Atom fehlt, dann formieren sich die Atome um und bilden eine andere Überstruktur, wodurch sich die Reaktivität verändert“, erläutert Diebold. Daher sind die Forscherin und ihr Team gerade an den Fehlstellen interessiert. „Die Defekte kriechen unter die Oberfläche hinein.“ Diese Prozesse seien bisher noch nicht auf atomarer Ebene untersucht – was nun in dem vom ERC (dem Europäischen Forschungsrat) finanzierten Projekt, das Anfang Februar startete, geschehen soll.

Diese Arbeiten sind zwar reine Grundlagenforschung – „wir sind zwei Schritte von der Anwendung entfernt“, betonte Diebold diese Woche bei einem Besuch von ERC-Präsidentin Helga Nowotny an der TU Wien. Doch die Erkenntnisse eröffnen wahrscheinlich völlig neue Möglichkeiten für neue Technologie. Zum Beispiel bei der Entwicklung von Gassensoren. Die Idee dahinter: Halbleitermaterialien wie Silizium verändern ihre Leitfähigkeit bei Anwesenheit bestimmter Gase wie Kohlenmonoxid. Um das für bessere Messgeräte nutzen zu können, müsse man genau verstehen, was geschieht, wenn sich ein Gasmoleküle an die Oberfläche anlagert.  ku