Die Natur liefert uns nicht, was wir gerne hätten. So ziemlich jede Substanz, aus der unsere künstliche Umwelt besteht, ist in ihrer Rohform zu kurz, zu lang, zu verzweigt, zu linear oder auf eine andere Weise unpassend, um sie in Plastikgehäuse, Lacke, Schmierstoffe oder Quietscheentchen zu verwandeln. Zum Glück für die chemische Industrie, die zu einem Großteil damit beschäftigt ist, aus wilden Ausgangsmaterialien zivilisierte Grundstoffe zu machen.

Allerdings muss sie dabei den Widerstand dieser rohen und meist ziemlich stabilen Verbindungen überwinden. Eine Kunst der Synthese, die mit hohen Temperaturen und heftigem Druck erreicht, was unter natürlichen Bedingungen wohl kaum freiwillig ablaufen würde. Und selbst dann wäre das Ergebnis äußerst mager, wenn die chemischen Synthetiseure nicht Verbündete in ihren Reaktoren hätten: Katalysatoren.

Deren Funktion besteht darin, die standhaften Akteure vorübergehend zu binden, zu verformen, einander näher zu bringen oder irgendwie anders zu überreden, ohne Zufuhr weiterer Energie doch endlich so zu reagieren, wie der Mensch es sich wünscht. Und Katalysatoren erledigen diese Aufgabe gut – obwohl mitunter niemand so genau weiß, was sie da eigentlich in ihrem heißen Ansatz mit den Substanzen anstellen und wie sie sich selbst währenddessen verändern.

Genau davon würden Industriechemiker aber gerne mehr verstehen, denn je besser der Vorgang bekannt ist, umso leichter ließe er sich optimieren. Was wiederum Geld sparen würde und vielleicht auch übermäßigen Aufwand bei der Durchführung. Somit mangelt es zwar nicht an der entsprechenden Motivation, nur – die typischen Katalysatoren sind eben wenige Nanometer klein. Winzige Klümpchen von Metallen oder Metalloxiden, die auf einem festen Träger sitzen. Mit herkömmlichen Methoden ist kaum auszumachen, wie die Arbeit der Helfer aussieht.

Da kommt ein neues Verfahren gerade recht, das der niederländische Chemiker Frank de Groot von der Universität Utrecht mit einer Reihe Kollegen entwickelt hat. Die Wissenschaftler nutzen das kürzlich entwickelte Raster-Transmissions-Röntgenmikroskop (Scanning Transmission X-ray Microscope, STXM), dessen energiearme Röntgenstrahlung an den konzentrischen Ringen einer Fresnel-Zonenplatte so gebeugt wird, dass es sich dahinter wie sichtbares Licht hinter einer Sammellinse in einem Brennpunkt vereinigt. Da die Wellenlänge von Röntgenlicht sehr klein ist, lassen sich auf diese Weise noch Strukturen bis zu etwa 15 Nanometer Durchmesser auflösen. Für ein Bild von größeren Objekten braucht die Probe nur in engen Bahnen im Fokus der Strahlen verschoben zu werden. Ein dahinter aufgebauter Detektor registriert die Intensität des durchkommenden Anteils, und ein Computer wandelt die Daten in eine interpretierbare Abbildung um.

Dummerweise wird die weiche Röntgenstrahlung des STXM nur allzu leicht von Materie jeglicher Art absorbiert und verschwindet dadurch leicht, bevor sie den Detektor erreicht. Um dieses Problem zu lösen, konstruierten die Wissenschaftler einen speziellen Nanoreaktor, der jeweils einen halben Millimeter breit und hoch, aber nur 50 Mikrometer dick war. Dünn genug, um bei normalem Druck ausreichend durchsichtig für Röntgenstrahlung zu sein. Und obendrein konnte das Reaktionsvolumen trotz der geringen Ausmaße auf bis zu 500 Grad Celsius erhitzt werden.

Im Experiment warfen die Forscher in ihrer Kammer eine Fischer-Tropsch-Synthese an, bei welcher aus einem Gemisch von Kohlenmonoxid und Wasserstoff flüssige Kohlenwasserstoffe entstanden. Ort des Vorgangs war die Oberfläche eines Katalysators aus Eisenoxid, der auf einem Träger aus Siliziumdioxid saß und von einigen weiteren Metalloxiden unterstützt wurde. Wo genau sich welche Elemente und Verbindungen befanden, ermittelten die Wissenschaftler, indem sie die Probe mit monochromatischem Röntgenlicht verschiedener Wellenlängen durchleuchteten, das jeweils von einer bestimmten Atomsorte besonders gut absorbiert wurde.

Am Computerbildschirm entstand mit jedem Scan ein Bild, das nicht nur die chemischen Konturen und damit die Aufenthaltsorte der verschiedenen Elemente verriet, sondern auch den zeitlichen Verlauf der Synthese mit seinen Zwischenstufen.

Bislang jedoch nur mit einer recht bescheidenen zeitlichen Auflösung, und auch mit der räumlichen Genauigkeit sind die niederländischen Forscher noch nicht zufrieden. Ein Anfang ist aber immerhin gemacht, und de Groot ist zuversichtlich, dass sein Aufbau noch viel Spielraum für Verbesserungen bereithält. Für einen noch tieferen Blick in noch mikroskopischere Abläufe.