Blickpunkt

Kleine und mittlere Unternehmen müssen sich häufig über Neuheiten am Markt behaupten und gegen größere Konkurrenten auf heimischen und internationalen Märkten Position beziehen. Im Tagesgeschäft fehlen jedoch oft die Ressourcen, um die Marktfähigkeit von Ideen einzuschätzen oder sie zu in Produkte umzusetzen. Dabei können externe Berater die Unternehmen unterstützen. Hier setzt das Programm go-Inno des Bundeswirtschaftsministerium (BMWi) an.
Um die Förderung für Beratungsleistungen in Anspruch zu nehmen, darf das Unternehmen maximal 99 Beschäftigte haben, und der Jahresumsatz oder die Bilanzsumme darf höchstens 20 Mio. Euro betragen. Das Programm fördert mit Gutscheinen, die autorisierte Beratungsunternehmen oder Kontaktstellen herausgeben. Die Gutscheine decken 50 Prozent der Dienstleistung eines Beratungsunternehmens bei maximal 1100 Euro pro Tagewerk.


<h2>Die Leistungsstufen</h2>
In der Leistungsstufe 1 sind bis zu zehn Beratertage für eine Potenzialanalyse förderbar, etwa um ein Stärken-Schwächen-Profil des Unternehmens anzufertigen und die Marktfähigkeit eines neuartigen Produkts zu prüfen. Der Gutschein hätte dann maximal einen Wert von 5500 Euro.
Die Leistungsstufe 2 fördert mit bis zu 25 Beratertagen ein Realisierungskonzept. Darunter fällt es, Technologiegeber zu finden, etwa um mit neuen Maschinen die Produktion effizienter zu machen. Zudem wird das Projektmanagement, das die Innovation im Controlling und in der Umsetzung begleitet, mit bis zu 15 Beratertagen gefördert.
Maximal darf ein Unternehmen pro Kalenderjahr fünf Innovationsgutscheine mit einem Förderwert von insgesamt 20 000 Euro in Anspruch nehmen. Neben den Geldmitteln hat der Unternehmer den Vorteil, dass überwiegend die Beratungsunternehmen die Gutscheine verwalten. Die Qualität der Berater prüft das BMWi jährlich.1


<h2>Das Programm</h2>
Das Programm go-inno wurde im Jahr 2000 zunächst in den neuen Bundesländern eingeführt. In den alten Bundesländern wird es derzeit noch selten genutzt. Dabei sichert das Programm Arbeitsplätze bei Chemiemittelständlern aus der Kunststoffverarbeitung, dem Chemiehandel oder der Farben- und Lackindustrie:Jeder dritte Arbeitsplatz in der chemischen Industrie ist in einem mittelständischen Unternehmen, und ein Drittel des Branchenumsatzes kommt aus dem Mittelstand.2
Die Go-Inno-Förderung zur strukturierten Vorbereitung von Innovationsvorhaben, zur Analyse nationaler und internationaler Marktchancen oder zur Suche nach Kooperationspartnern insbesondere aus der Wissenschaft soll die mittelständische Industrie stabilisieren.
Die neue Go-Inno-Richtlinie ist seit Anfang August in Kraft und gilt fünf Jahre. Sie fasst die Programme go-innovativ für Innovationsvorhaben, das hier beschrieben wurde, und go-effizient für eine höhere Rohstoff- und Materialeffizienz zusammen (siehe Kasten).
Holger Bengs ist geschäftsführender Gesellschafter von BCNP Consultants, einem vom BMWi autorisierten Beratungsunternehmen im Programm BMWi-Innovationsgutscheine.


<h2>Förderprogramm go-Inno</h2>
Das System der BMWi-Innovationsgutscheine besteht aus zwei Modulen:
Das Modul go-innovativ professionalisiert das Innovationsmanagement. Es fördert die Beratung von mittelständischen Unternehmen, die Produkt- und Verfahrensneuheiten vorbereiten und durchführen wollen.
Das Modul go-effizient steigert die Rohstoff- und Materialeffizienz. Es fördert externe Beratung, damit mittelständischen Unternehmen Effizienzpotenziale erkennen und erschließen.
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1 

<ext-link ext-link-type="uri"><a href="https://www.inno-beratung.de" target="_blank">www.inno-beratung.de</a></ext-link>.
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2 

Innovationsmotor Chemie, ZEW, 2003.
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Artikel

Geld für den Chemiemittelstand

Kleine und mittlere Unternehmen müssen sich häufig über Neuheiten am Markt behaupten und gegen größere Konkurrenten auf heimischen und internationalen Märkten Position beziehen. Im Tagesgeschäft fehlen jedoch oft die Ressourcen, um die Marktfähigkeit von Ideen einzuschätzen oder sie zu in Produk...

Mit der Rastertunnelmikroskopie (Scanning Tunneling Microscopy, STM) wurde es erstmals möglich, atomare Strukturen an Oberflächen sichtbar zu machen. Die mikroskopische Abbildung der inneren Struktur von Molekülen ist aber trotz intensiver Forschung bis heute eine Herausforderung.
Mit Rastertunnelmikroskopie lässt sich zwar die Anordnung von Molekülen auf Oberflächen sehr gut untersuchen, jedes Molekül erscheint dabei als ein mehr oder weniger unstrukturierter Fleck (Abbildung 1, linke Spalte). Die innere Struktur der Moleküle wird aber in der Regel nicht sichtbar, da die Abbildung durch das Rastertunnelmikroskop auf Valenzorbitalen beruht, die über das gesamte Molekül delokalisiert sind und daher nur unzureichende Informationen über dessen kurzskalige Struktur enthalten. Abhilfe schafft hier im Prinzip das Rasterkraftmikroskop (Atomic Force Microscope, AFM). Es misst die Kräfte zwischen der abtastenden Spitze und dem Untersuchungsobjekt Molekül, und in der räumlichen Verteilung der Kräfte ist die (geometrische) Molekülstruktur kodiert.
Die experimentelle Schwierigkeit bei der submolekular aufgelösten Rasterkraftmikroskopie besteht darin, die atomaren Kräfte vom Hintergrundsignal langreichweitiger Kräfte zu trennen, die zwischen dem makroskopischen Kraftsensor und der Probe wirken, auf der sich das abzubildende Molekül befindet. Diese Signaltrennung leistet beispielsweise das dynamische Rasterkraftverfahren, bei dem die Spitze in Schwingungen mit ihrer Resonanzfrequenz und Sub-Ångström-Amplituden versetzt und die Kraft aus der gemessenen Frequenzverschiebung ermittelt wird.
Es gibt aber eine andere, in vieler Hinsicht einfachere Möglichkeit: Statt eines makroskopischen Biegebalkens als Kraftsensor wie im AFM kann man einen nanoskopischen Kraftsensor einsetzen. Dieser ist so klein, dass für ihn die langreichweitigen Kräfte per se irrelevant sind. Idealerweise wäre der Kraftsensor nur so groß wie ein Atom oder ein kleines Molekül.


<h2>Atomare Sensoren</h2>
 Im Jahr 2008 haben wir erstmals darüber berichtet, dass ein mit Wasserstoffmolekülen funktionalisiertes Rastertunnelmikroskop neuartige Bilder von Molekülen erzeugt (Abbildung 1 a—b, rechte Spalte).1 Dabei wirkt Wasserstoff wie ein Kontrastmittel, durch das hindurch die chemisch-geometrische Struktur des Moleküls im Mikroskop sichtbar wird. Wir haben die neue Methode STHM (für Scanning Tunnelling Hydrogen Microscopy) genannt. Wasserstoffmoleküle wirken in der STHM als atomare Sensoren, die empfindlich auf die kurzreichweitigen Abstoßungskräfte des zu untersuchenden Moleküls reagieren. Diese Abstoßungskräfte erzeugt das quantenmechanische Pauli-Prinzip, wenn sich die Elektronenhüllen von Sensormolekül und mikroskopiertem Molekül zu nahe kommen.2
Trotz der exzellenten Auflösung hat Wasserstoff als Sensor einige Nachteile: Da molekularer Wasserstoff sehr flüchtig ist, kann das Experiment grundsätzlich nur bei Temperaturen unter 20 K im Ultrahochvakuum durchgeführt werden, also unterhalb des Kondensationspunktes von H2. Die Präparation ist zwar einfach — es wird dem kalten STM einfach Wasserstoffgas zugeführt, das automatisch seinen Weg in den Tunnelkontakt findet. Doch diese Präparationsmethode erlaubt keine Kontrolle der Struktur des sensibilisierten Tunnelkontakts. So ist nicht klar, wie viele Wasserstoffmoleküle im Tunnelkontakt kondensieren. Dies ist ein Hindernis für die Aufklärung des Mechanismus. Deswegen liegt die Frage nahe, ob auch andere Sensorpartikel geeignet sind. Die Antwort ist ja: Xenon, Kohlenmonoxid und Methan eignen sich ebenfalls als Sensoren und liefern Bilder mit chemisch-geometrischer Auflösung (Abbildung 1c, rechte Spalte).3 Das dem STHM zugrunde liegende Prinzip lässt sich also zu einer Atomic Sensor Microscopy verallgemeinern.


<h2>Funktionsweise der Sensorpartikel</h2>
Abbildung 2 (S. 54) zeigt die Funktionsweise der Atomic Sensor Microscopy: Das zwischen Spitze und Probe eingeklemmte Sensoratom oder -molekül (blau) folgt der Spitze, wenn diese in konstanter Höhe die Oberfläche abtastet. Die vertikale Position des Sensorpartikels im Tunnelkontakt hängt nun vom Profil der Elektronendichte des untersuchten Moleküls ab, die in Abbildung 2a und b als graue Schattierung gezeigt ist: An Orten, an denen die Elektronendichte größer ist und weiter aus der Oberfläche herausragt, ist die Pauli-Abstoßung durch das Untersuchungsobjekt größer, und das Sensorpartikel wird deshalb näher an die Tunnelspitze gedrückt (Abbildung 2b). Dies wiederum hat zur Folge, dass die Pauli-Abstoßung zwischen Spitze und Probe zunimmt (rote Schattierung in Abbildung 2b). In der metallischen Spitze führt dies zu einer Verdrängung von Elektronenzuständen, und zwar von genau denen, aus denen die tunnelnden Elektronen kommen (in Abbildung 2c bis e als dunkelblaue Schattierung gezeigt). Damit sinkt der Tunnelstrom. Das Wasserstoffmolekül wirkt also gleichzeitig als ein Sensor, der die Abstoßungskräfte durch das untersuchte Objekt abtastet, und als ein Signalwandler, der dieses Kraftsignal in eine Veränderung des Tunnelstroms umwandelt, welche die Kontrollelektronik des STM messen kann.


<h2>Jenseits von Molekülstrukturen</h2>
 Der Vorteil der Sensoren Xe und CO ist, dass die Präparation genauso einfach wie mit Wasserstoff, aber besser zu kontrollieren ist. Man kann nämlich in einem Tieftemperatur-STM ein einzelnes Xe-Atom oder CO-Molekül mit der Spitze aufgreifen und deshalb sicher sein, dass der Sensor aus nur einem einzelnen Atom oder Molekül besteht. Damit bestätigen die Daten zu CO und Xe das beschriebene Erklärungsmodell, das wir ursprünglich für die Wirkung von H2 als Kontrastmittel vorgeschlagen haben.
Die Verallgemeinerung der STHM zur Atomic Sensor Microscopy eröffnet die Möglichkeit, die Eigenschaften des Sensorpartikels maßzuschneidern.3 So zeigt sich, dass die stärkere Bindung von CO an die Tunnelspitze (CO chemisorbiert, während Xe, H2 und CH4 lediglich physisorbieren) die Maßstäblichkeit der geometrischen Abbildung verbessert. Weiterhin ergibt der Vergleich zwischen den Sensoren, dass ihre Reichweiten verschieden sind. Sie reichen von circa 2,5 Å für Xe bis circa 1 Å für CO. Angesichts dieser sehr unterschiedlichen Eigenschaften der Sensorteilchen stellt sich die Frage, ob durch geschickte Wahl der Sensoren neben der geometrischen Molekülstruktur auch andere Eigenschaften des Untersuchungsobjekts abgebildet werden können. Die Trennung in eine Sensor- und eine Signalwandlerfunktion (Abbildung 2) würde es prinzipiell zulassen, dass der Sensor andere Wechselwirkungen als die Pauli-Abstoßung erfasst, obwohl die Signalwandlung weiter auf der Pauli-Abstoßung zwischen Spitze und Sensormolekül beruht.
Ein Vergleich zwischen den bisher untersuchten Sensormolekülen gibt einen ersten Hinweis, dass mit der Atomic Sensor Microscopy tatsächlich andere Wechselwirkungen messbar sind. Die Sensoren mit den längsten Reichweiten, Xe, CH4 und H2, zeigen neben dem chemisch-geometrischen Kontrast auf den Molekülen noch einen weiteren Bildkontrast:3,4
Zwischen den 3,4,9,10- Pery len tet ra car bon säu re di an hy drid (PCTDA) Molekülen in Abbildung 1b wird eine regelmäßige, fliesenartige Struktur sichtbar. Der CO-Sensor generiert diesen Kontrast nicht, obwohl er die geometrische Struktur der PTCDA-Moleküle sieht. Dies legt den Schluss nahe, dass die Sensoren CH4, Xe und H2 auf zwei unterschiedliche Wechselwirkungen ansprechen: die kurzreichweitige Pauli-Abstoßung im Nahbereich, die den chemisch-geometrischen Kontrast auf den Molekülen bewirkt, und eine Wechselwirkung mit längerer Reichweite im Fernbereich. Es ist nun bemerkenswert, dass dieser Fernkontrast ein Muster erzeugt, das mit dem Netzwerk von Wasserstoffbrückenbindungen zusammenfällt, die sich zwischen den PTCDA-Molekülen bilden. Mit Atomic Sensor Microscopy lassen sich Wasserstoffbrückenbindungen offensichtlich direkt visualisieren. Unseres Wissens ist das bisher mit keiner anderen Mikroskopie möglich.


<h2>Ausblick</h2>
 Eine einfache, problemlos in bestehenden Tieftemperatur-Mikroskopen durchführbare Modifikation des Tunnelkontakts erweitert den Informationsgehalt von Rastertunnelbildern so, dass auch Kräfte sichtbar werden.1—4 Diese können zur Abbildung der geometrischen Struktur von Molekülen verwendet werden. Die STM erhält damit eine chemische Empfindlichkeit, die unter bestimmten Bedingungen eine Analytik durch Hingucken ermöglicht. Darüber hinaus demonstriert der Wasserstoffbrückenkontrast, dass das Potenzial der Atomic Sensor Microscopy größer sein könnte als nur die Abbildung der inneren Struktur von Molekülen: Maßschneidern des Sensorpartikels, seiner inneren Freiheitsgrade und seiner Wechselwirkung mit der Spitze macht unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften der Probe auf der für die STM charakteristischen kurzen Längenskala zugänglich. Damit erweitert die Atomic Sensor Microscopy das Potenzial sowohl der Rastertunnelmikroskopie als auch der höchstauflösenden Rasterkraftmikroskopie grundlegend.
Georgy Kichin ist Diplom-Physiker und arbeitet seit dem Jahr 2010 als Doktorand am Forschungszentrum Jülich auf dem Gebiet der Atomic Sensor Microscopy. Ruslan Temirov ist promovierter Physiker und leitet in Jülich die Helmholtz-Nachwuchsgruppe “Complex Transport Regimes in Low Temperature Scanning Tunneling Microscopy”. r.temirov@ <a href="https://fz-juelich.de" target="_blank">fz-juelich.de</a> Christian Wagner ist promovierter Physiker und wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Helmholtz-Nachwuchsgruppe am Peter-Grünberg-Institut im Forschungszentrum Jülich. F. Stefan Tautz ist Direktor des Peter-Grünberg-Instituts und leitet den Institutsbereich Funktionale Nanostrukturen an Oberflächen (PGI-3). <a href="mailto:s.tautz@fz-juelich.de">s.tautz@fz-juelich.de</a>


QUERGELESEN
Sensormoleküle im Tunnelkontakt eines Rastertunnelmikroskops machen die chemisch-geo metrische Struktur von Molekülen und Wasserstoffbrückenbindungen sichtbar.
Die Sensormoleküle dienen gleichzeitig als nano skopische Kraftsensoren und Signalwandler.
Je nach Untersuchungsobjekt und Fragestellung eignen sich andere Moleküle als maßgeschneiderte Sensoren für die Abbildung lang- oder kurzreichweitiger Wechselwirkungen.



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<li>
1 

 
R. Temirov, 
S. Soubatch, 
O. Neucheva et al., 
<source>New J. Phys. 
(2008), 
10, 
053012.
</li>
<li>
2 

 
C. Weiss, 
C. Wagner, 
C. Kleimann et al., 
<source>Phys. Rev. Lett. 
(2010), 
105, 
086103.
</li>
<li>
3 

 
G. Kichin, 
C. Weiss, 
C. Wagner et al., 
<source>J. Am. Chem. Soc. 
(2011), 
133, 
16847.
</li>
<li>
4 

 
C. Weiss, 
C. Wagner, 
R. Temirov et al., 
<source>J. Am. Chem. Soc. 
(2010), 
132, 
11864.
</li>
</ul>

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