20.10.2021

Eine Schablone aus Wasser

Dünne Wasseroberflächen kontrollieren die Struktur kristalliner Monolagen.

Die Herstellung hochwertiger Monolagen ist für opto­elektronische Bauteile wie organische Leuchtdioden, die heute in modernen Handys verwendet werden, von großer Bedeutung: Sowohl die Lebensdauer als auch die Energieeffizienz können hierdurch erhöht werden. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymer­forschung haben nun in Zusammen­arbeit mit der TU Dresden mit Hilfe von Lasern untersucht, wie Wasser­oberflächen als eine Schablone für die regelmäßige Anordnung von Molekülen genutzt werden können und welche physikalisch-chemischen Mechanismen dahinter stecken.

Abb.: Wasser kann für eine gezielte Anordnung einzelner Moleküle genutzt...
Abb.: Wasser kann für eine gezielte Anordnung einzelner Moleküle genutzt werden. (Bild: MPI-P)

Organische Leuchtdioden bestehen aus vielen dünnen Schichten, von denen einige nur ein Molekül dick sind. Die bereits in den 1980er Jahren entdeckte Nutzung von Wasser­oberflächen zur Beein­flussung chemischer Reaktionen ist ein vielver­sprechender Ansatz zur Herstellung solcher Schichten. Wie ein Eierkarton bietet diese Methode die Möglichkeit, Moleküle selektiv in eine kristalline, regelmäßig angeordnete Struktur zu zwingen: Sie können nur dort sitzen, wo die Tenside auf der Wasser­oberfläche es ihnen erlauben.

Bislang war unklar, welche physi­kalischen und chemischen Prozesse für diese Anordnung notwendig sind. Welche Rolle spielt zum Beispiel die Ladung des Tensids? Inwieweit müssen die Bindungs­abstände auf der Wasser­oberfläche mit denen des aufgebrachten Moleküls über­einstimmen? Yuki Nagata und sein Team sind diesen Fragen nachgegangen. Dazu nutzten sie das Molekül Polyanilin als Versuchs­objekt und untersuchten den Prozess der Anordnung auf der Wasseroberfläche mit Hilfe der Laser­spektroskopie genauer. 

Die Summenfrequenz­spektroskopie ist dafür ideal geeignet, da sie nur Signale von der Grenz­fläche und nicht vom darunter liegenden Wasser liefert. Mit ihrer Hilfe konnte das Team den Polymerisations­prozess über einen Zeitraum von mehreren Stunden abbilden und auch entstehende Zwischen­stufen nachweisen. „Wir konnten zeigen, dass die Ladung an der Oberfläche für die Qualität der synthe­tisierten Proben von Bedeutung ist“, so Nagata. „Wir hoffen, dass unsere Forschung die Möglichkeit bietet, maßgeschneiderte Polymer­beschichtungen herzustellen, indem die Wasser­oberflächen entsprechend angepasst werden.“

MPI-P / JOL

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