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Atombilder zeigen ungewöhnlich viele Nachbarn für einige Sauerstoffatome

© Christoph Hofer und Jannik Meyer, Creative Commons Attribution 4.0

Bilder von Sauerstoff- (obere Reihe) und Stickstoffatomen (untere Reihe) in einem Kohlenstoffnetzwerk, aufgenommen im Mikroskopielabor der Universität Wien. Unter den erwarteten Konfigurationen findet sich Sauerstoff auch mit drei Nachbarn sowie in einer "Paar"-Konfiguration mit einem anderen Sauerstoff.

22.10.2019: Das Identifizieren neuer chemischer Bindungen ist entscheidend für das Entwickeln neuer Materialstrukturen. Physiker um Jani Kotakoski an der Universität Wien und Jannik Meyer von der Universität Tübingen haben unerwartete, neue Konfigurationen von Sauerstoff und Stickstoff in Graphen entdeckt. Direkte Bilder der Atome und die Analyse der Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Das Leben, wie wir es kennen, basiert auf nur einer Handvoll verschiedener Arten von Atomen (sogenannten Elementen), darunter Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Was die Komplexität der Welt ermöglicht, ist die Fähigkeit der Atome, sich über chemische Bindungen zu größeren Strukturen zu verbinden. Die Kenntnis der möglichen Bindungsstrukturen ermöglicht es Wissenschaftern, sowohl Bausteine des Lebens zu verstehen als auch völlig neue Strukturen zu entwickeln.

Jede Atomart kann abhängig von der Anzahl der verfügbaren Elektronen eine charakteristische Anzahl von Bindungen eingehen. Dementsprechend sagen Chemielehrbücher, dass Kohlenstoff bis zu vier Bindungen, Stickstoff bis zu drei und Sauerstoff nur eine oder zwei Bindungen haben kann. Nun hat ein Team unter der Leitung von Jani Kotakoski von der Universität Wien und Jannik Meyer von der Universität Tübingen (vormals Universität Wien) die Bindung einer großen Anzahl von Stickstoff- und Sauerstoffatomen mit modernster Raster-Transmissions-Elektronenmikroskopie untersucht. Möglich wurde dies durch die Einbettung der Atome in das Kohlenstoffmaterial Graphen, das nur ein Atom dick ist.

Die Physiker stellten fest, dass Stickstoff- und Sauerstoffatome in einer Vielzahl von Konfigurationen an ihre Nachbarn binden. Die Studie bestätigte größtenteils das aus dem Lehrbuch bekannte Bild, das nun mit direkten Aufnahmen der Atome sichtbar gemacht werden konnte: Stickstoffatome waren an zwei oder drei Kohlenstoffatome gebunden, während die meisten Sauerstoffatome zwei Kohlenstoffnachbarn hatten.

"Was uns jedoch wirklich überraschte, war das zusätzliche Vorhandensein von Strukturen mit Sauerstoff, die an drei Kohlenstoffnachbarn gebunden sind", sagt Christoph Hofer, der Hauptautor der Studie, die kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde: "Die Ausnahme von Sauerstoff mit drei Bindungen war bisher nur in einem ungewöhnlich stark geladenen Zustand bekannt, dem sogenannten Oxonium, das schwer zu stabilisieren ist", erklärt er. Dies steht im Gegensatz zu der aktuellen Studie, in der die Strukturen bemerkenswert stabil waren, sodass sie im Mikroskop abgebildet werden konnten. Die Studie ergab auch eine "gepaarte Sauerstoff"-Konfiguration, bei der zwei Sauerstoffatome benachbarte Stellen im Graphengitter besetzen, jedoch keine Bindung eingehen. Diese neuen Bindungskonfigurationen liefern nicht nur neue Einblicke in die Bausteine des Lebens, sondern könnten auch zur Entwicklung neuer Materialien führen.

Insgesamt bietet die Studie einen umfassenden Überblick über die verschiedenen Bindungskonfigurationen für Stickstoff und Sauerstoff, der direkt durch Aufnahmen der einzelnen Atome veranschaulicht wird. Während das Lehrbuchkonzept der Bindung von Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff zum größten Teil bestätigt wurde, können diese geläufigen Elemente nach Jahrzehnten von Untersuchungen offensichtlich immer noch Überraschungen bereiten.

Originalveröffentlichung:
"Direct imaging of light-element impurities in graphene reveals triple-coordinated oxygen"; Christoph Hofer, Viera Skákalová, Tobias Görlich, Mukesh Tripathi, Andreas Mittelberger, Clemens Mangler, Mohammad Reza Ahmadpour Monazam, Toma Susi, Jani Kotakoski & Jannik C. Meyer; Nature Communications; volume 10, Article number: 4570 (2019)

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