Forscher haben mithilfe einer neuartigen zeitaufgelösten Elektronenmikroskopie erstmals atomare Bewegungen während einer katalytischen Reaktion live aufgezeichnet. Dabei wurde die geltende Lehrmeinung widerlegt, dass das bei der Dehydrierung entstehendes Aldehyd von der Katalysatoroberfläche diffundiert. Die Forscher entdeckten mit der neuen Mikroskopie, dass es daran haftet und sofort kurze Polymerketten bildet. Dieser Klebeeffekt ebnet den Weg zu langlebigeren und effizienteren Katalysatoren. Mit der Technik könnten künftig u. a. auch Effekte bei der Elektrolyse detailliert untersucht und galvanotechnische Prozesse gezielt optimiert werden.
Von Stop-Motion zum Atomkino
Bereits 2013 demonstrierte IBM, wie man mit Rastertunnelmikroskopie CO-Moleküle zu einem Stop-Motion-Kurzfilm arrangiert. Zeitgleich dokumentierte eine Gruppe der University of Toronto in Echtzeit, wie Atome Übergangszustände durchlaufen. Diese Pionierarbeiten legten den Grundstein für die heutige „atomare Natur-Dokumentation“.
Die neue Technik hinter der Live-Mikroskopie heißt SMART-EM (Single-Molecule Atomic-Resolution Time-Resolved Electron Microscopy) und basiert auf ultrakurzen Elektronenpulsen, die Proben in Sub-Millisekunden-Schritten abtasten, ohne sie zu zerstören. Entwickelt von Prof. Eiichi Nakamura und seinem Team an der University of Tokyo, ermöglicht die Technologie filmanaloge Sequenzen, die atomare Strukturveränderungen detailgenau dokumentieren.
Live-Beobachtung katalytischer Dehydrierung
Ein internationales Konsortium unter der Leitung von Dr. Yosi Kratish und Prof. Tobin J. Marks (Northwestern University) setzte SMART-EM ein, um die Dehydrierung eines Alkohols auf der Katalysatoroberfläche zu verfolgen. Bei jedem Schritt der Wasserstoff-Entfernung lieferte die Methode faszinierende Einblicke in das Zusammenspiel einzelner Atome und Moleküle. Entgegen bisheriger Annahmen bleibt das entstandene Aldehyd unmittelbar am Metall haften und polymerisiert direkt an Ort und Stelle. Zugleich wurde die kurzlebige Bildung von Hemiacetal-Zwischenstufen nachgewiesen – ein Reaktionspfad, der bislang unbekannt war.
Ausblick für Katalysatordesign und grüne Chemie
Dieses neue Verständnis der Oberflächen-Polymerisation erklärt nicht nur das vorzeitige Nachlassen industrieller Katalysatoren, sondern liefert auch konkrete Ansatzpunkte zur Materialoptimierung. Parallel arbeiten Forscher daran, Elektronenbewegungen in flüssigem Wasser einzufrieren und so elektronische Reaktionsprozesse aufzudecken. Ergänzend zur SMART-EM erweitert die 4D-Elektronendiffraktion diese „Kinematische Chemie“, indem sie stöchiastische atomare Bewegungen in Festkörpern sichtbar macht. Langfristig verspricht diese visuelle Chemie Fortschritte in der nachhaltigen Wasserstoffproduktion, der umweltfreundlichen Pharma-Synthese und der präzisen Steuerung komplexer Reaktionspfade.
Live-Beobachtung additiv modifizierter Galvanisierprozesse?
Mit SMART-EM könnten sich in einer speziell angepassten Flüssigkeitszelle auch die Elektroden während der Metallabscheidung in Echtzeit auf atomarer Ebene verfolgen lassen. Dabei wäre die direkte Beobachtung organischer Additive möglich, wie sie an der Kathodenoberfläche adsorbieren oder gezielt das Kornwachstum beeinflussen. Ebenso wäre es möglich, an der Anode die Bildung von passivierenden Filmen und deren Zusammenspiel mit Additiven nachzuvollziehen. Durch diese Einblicke ließen sich in Zukunft galvanotechnische Prozesse gezielter optimieren.
Literatur
• „A Boy and His Atom“, IBM Research – https://en.wikipedia.org/wiki/A_Boy_and_His_Atom
• Phys.org: „Best image yet of atoms moving in real time produced (w/ video)“ – https://phys.org/news/2013-04-image-atoms-real-video.html
• Northwestern Now: „Watch a live catalytic event in real time – https://news.northwestern.edu/stories/2025/04/watch-a-live-catalytic-event-in-real-time/
• ScienceDaily: „Researchers watch a live catalytic event in real time – https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250411175454.htm
• McCormick Engineering: „Watch a Live Catalytic Event in Real Time – https://www.mccormick.northwestern.edu/news/articles/2025/04/watch-a-live-catalytic-event-in-real-time/
• Nanowerk: „Watch a live catalytic event in real time (w/video) – https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid%3D66680.php
• Mapping Ignorance: „First video of catalysis in action at the atomic level – https://mappingignorance.org/2025/04/15/first-atomic-level-video-of-catalytic-reaction
•ScitechDaily: „Watch Atoms Move: The First-Ever Video of Catalysis in Action – https://scitechdaily.com/watch-atoms-move-the-first-ever-video-of-catalysis-in-action/
• Oxford Academic: „Cinematographic study of stochastic chemical events at atomic resolution – https://academic.oup.com/jmicro/article/73/2/101/7326077
