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Kontrolle großflächiger Molekül-Superstrukturen auf Oberflächen

Verfahren verspricht nanotechnologische Anwendungen wie die Funktionalisierung von Oberflächen.




Abbildung unten: Die Aufnahme aus dem Rastertunnelmikroskop zeigt eine großflächige Struktur, zu der sich Moleküle auf einer Silberoberfläche selbsttätig angeordnet haben. Jeder Punkt zeigt ein Molekül mit einem Durchmesser von etwa einem Nanometer. Das resultierende Muster besteht aus Dreiecken von 45 Nanometern Kantenlänge. [Bildquelle, ©: Manuel Gruber und Torben Jasper-Tönnies]
Molekül-Superstruktur mit 45 nm Kantenlänge

Die meisten technischen Geräte werden von Menschen oder Maschinen aus einzelnen Komponenten Stück für Stück nach einem Bauplan zusammen-gesetzt. Lebende Organismen hingegen basieren auf einem anderen Konzept, Moleküle ordnen sich selbständig zu größeren Einheiten an.

Ein einfaches Beispiel für diese molekulare Selbstorganisation ist das Wachsen nahezu perfekter Kristalle aus Zucker- oder Salzmolekülen, die sich ziellos in einer Lösung bewegen. Um die Bildung makroskopischer Strukturen aus Molekülen besser zu verstehen, hat ein Forschungsteam aus der Experimentellen und Angewandten Physik sowie der Organischen Chemie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) derartige Prozesse mit maßgeschneiderten Molekülen nachgeahmt.

Wie sie in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie berichteten [siehe unten], konnten sie verschiedene Muster von Molekülen unterschiedlicher Größe herstellen, darunter regelrechte "Superstrukturen".

Die Forschenden brachten dreieckige Moleküle (Methyltrioxatriangulenium) auf Gold- und Silberoberflächen (Au(111) und Ag(111)) auf und untersuchten mit einem Rastertunnelmikroskop die sich bildenden wabenförmigen Molekülanordnungen. Sie bestehen aus regelmäßigen Mustern, deren Größe die Wissenschaftler steuern konnten.

Die Konkurrenz zwischen Waben- und hexagonalen Kacheln molekularer Einheiten kann zu großen Wabenaufbauten auf Oberflächen führen. Solche Überstrukturen weisen Poren auf, die als zweidimensionale Matrizen für funktionelle Gastmoleküle verwendet werden können.

"Unsere größten Muster enthalten Untereinheiten mit je 3000 Molekülen - das sind etwa zehnmal mehr als bisher berichtet wurde", sagt Dr. Manuel Gruber vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der CAU.

Das Forschungsteam entwickelte außerdem ein Modell der Kräfte zwischen den Molekülen, die die Strukturbildung bestimmen. "Das Besondere an unseren Ergebnissen ist, dass wir die unerwartet großen Strukturen erklären, vorhersagen und nun auch gezielt erzeugen können", so Gruber weiter. "Das ist nützlich für nanotechnologische Anwendungen wie die Funktionalisierung von Oberflächen."

Die Arbeit wurde gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG im Rahmen des Kieler Sonderforschungsbereichs 677 "Funktion durch Schalten" und des DFG-Schwerpunktprogramms 1928 "Koordinationsnetzwerke als Bausteine für Funktionssysteme".


Zusatzinformationen:

Torben Jasper-Tönnies, Manuel Gruber, Sandra Ulrich, Rainer Herges und Richard Berndt:
Coverage‐Controlled Superstructures of C3 Symmetric Molecules: Honeycomb versus Hexagonal Tiling.
In: Angewandte Chemie; online erschienen am 27. Februar 2020, DOI 10.1002/ange.202001383

Quelle: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, CAU

 


Aktualisiert am 19.03.2020.



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