Superstrukturen auf Oberflächen

Wie Moleküle sich selbst organisieren

Um die Bildung makroskopischer Strukturen aus Molekülen besser zu verstehen, hat ein Forschungsteam der Universität Kiel (CAU) solche Prozesse nachgeahmt und ein Modell der Antriebskraft für die Musterbildung solcher wabenförmige Superstrukturen entwickelt.

Ein einfaches Beispiel für 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 kürzlich in der Fachzeitschrift "Angewandte Chemie" berichteten, konnten sie verschiedene Muster von Molekülen unterschiedlicher Größe herstellen, darunter sogenannte Superstrukturen.

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

Die Forschenden brachten dreieckige Moleküle (Methyltrioxatrian­gule­nium) auf Gold- und Silberoberflächen auf und untersuchten mit einem Rastertunnel­mikroskop die sich bildenden wabenförmigen Molekülanord­nungen. Sie bestehen aus regelmäßigen Mustern, deren Größe die Wissenschaftler steuern konnten. „Unsere größten Muster enthalten Untereinheiten mit je 3 000 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“.

Originalpublikation: 
T. Jasper-Tönnies, M. Gruber, S. Ulrich, R. Herges and R. Berndt, Coverage‐Controlled Superstructures of C3 Symmetric Molecules: Honeycomb versus Hexagonal Tiling, Angew. Chem. Int. Ed. https://doi.org/10.1002/ange.202001383

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Quelle: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

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