Inventarnr.
1993-432
Systematik
315.09.14 Optik / Mikroskopie / Elektronenmikroskope
Identität
Nachbildung
Beschreibung
Optische Mikroskope erreichen ihre Grenze bei einer Auflösung von etwa 250 Nanometern (1 Nanometer = 1 nm = 1 Millionstel Millimeter), das entspricht ungefähr der halben Wellenlänge von sichtbarem Licht. Mit dem Elektronenmikroskop kann diese Grenze überwunden werden, weil Elektronen kürzere Wellenlängen als Licht haben. Ein modernes Elektronenmikroskop vermag sogar atomare Strukturen in Subnanometer-Dimensionen in gewissen Materialien sichtbar zu machen. Ebenso können mit Techniken, die Röntgenstrahlen oder Elektronenbeugung benützen, unter bestimmten Bedingungen Oberflächen im atomaren Bereich abgebildet werden.
Keine dieser Methoden ist aber so einfach und zerstörungsfrei wie die Rastertunnelmikroskopie. Das Rastertunnelmikroskop "sieht" die Atome nicht, sondern "fühlt" sie. Eine äußerst feine Spitze "tastet" eine Oberfläche in gleichbleibendem Abstand von wenigen Atomdurchmessern ab. Die Regelung des Abstandes zwischen Spitze und Oberfläche erfolgt mit Hilfe des sogenannten "Tunnelstroms", der zwischen Spitze und Probe fließt, wenn eine elektrische Spannung zwischen beiden angelegt wird. Der Tunnelstrom lässt sich nur mit Hilfe der Quantenmechanik erklären.
Ändert sich der Abstand um ein Zehntel Nanometer, so ändert sich der Tunnelstrom typischerweise um den Faktor Zehn. Über einen elektronischen Regelkreis lassen sich damit piezoelektrische Kristalle steuern. Ein Quarzkristall ist piezoelektrisch: Legt man eine wechselnde elektrische Spannung an, verändert sich z. B. seine Länge. So lässt sich der Abstand Abtastspitze – Oberfläche in kleinsten Bewegungsschritten auf etwa ein Hundertstel Nanometer genau stabilisieren. Damit lassen sich räumliche Oberflächenstrukturen in atomaren Dimensionen mit bis dahin unerreichter Präzision untersuchen. Mit geeigneten Rechnerprogrammen kann auch auf einem Bildschirm ein "optisches" Bild der Oberfläche aus den Abtastdaten des Rastertunnelmikroskops gewonnen werden.
Das Exponat ist die Nachbildung des ersten Prototyps. Am 18. März 1981 gelang es zum ersten Mal, die Abhängigkeit des "Tunnelstromes" vom Abstand einer extrem feinen Spitze von einer Oberfläche nachzuweisen. Kurze Zeit darauf konnten erstmals atomare Stufen auf einer Oberfläche gezeigt werden. 1985 schließlich wurde die atomare Auflösung des Rastertunnelmikroskops einhellig anerkannt. Ein Jahr später wurden Gerd Binnig und Heinrich Rohrer vom IBM Forschungslaboratorium Zürich für ihre Arbeiten mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Ein anderer, besonderer Vorteil des Rastertunnelmikroskops ist seine vielseitige Anwendbarkeit. Es kann im Vakuum, in natürlicher Umgebung an Luft und sogar in Flüssigkeit eingesetzt werden. Diese Eigenschaft hat zu einer Vielfalt von Anwendungen in so unterschiedlichen Gebieten wie Metallurgie, Elektrochemie und Molekularbiologie geführt. Ingenieure können damit Einblick in die Miniaturisierung von elektronischen Komponenten erhalten, Biologen die Grundbausteine des Lebens unter nahezu natürlichen Bedingungen untersuchen und Chemiker zum Beispiel ein besseres Verständnis von Batterien gewinnen, indem sie chemische Oberflächenreaktionen in einer elektrolytischen Lösung auf molekularer Ebene direkt beobachten. (Quelle: Brachner 1999)
