Graphen mit funktionaler Kante

Kaum ein Material steht in der Forschung derzeit so im Mittelpunkt wie Graphen. Es ist flexibel, äußerst dünn und durchsichtig – dabei weist es eine extreme Zug­festigkeit auf und leitet elektrischen Strom. Ideale Voraussetzungen für viele Anwendungs­bereiche. Für die Gewinnung von Solar­energie oder den Einsatz als Gas-Sensor sind aber noch andere spezifische Eigenschaften nötig. Dafür kann man Moleküle, die diese Eigenschaften aufweisen, an die Kohlenstoff-Schicht anhängen.

In bisherigen Arbeiten hatten Wissenschaftler vor allem versucht, mit nass­chemischen Methoden die Moleküle auf die Oberfläche des Materials zu bringen. Ein Forscherteam der Technischen Universität München um Wilhelm Auwärter wählte einen anderen Ansatz. Im Ultra­hoch­vakuum konnten sie kontrolliert Porphyrin-Moleküle an das Material binden. Dabei nutzen sie die katalytischen Eigenschaften einer Silber­ober­fläche, auf der die Graphen­lage aufliegt. Durch Erhitzen verlieren die Porphyrin-Moleküle an ihren Rändern Wasserstoff­atome und können so neue Bindungen mit den Graphenkanten eingehen.

„Die Methode bietet ein sauberes und kontrolliertes Umfeld", erklärt Wilhelm Auwärter, Professor für Molekulare Nano­wissenschaften an Grenz­flächen. „Wir können genau sehen, wie die Moleküle binden und welche Arten von Bindungen entstehen." Dazu verwenden die Forscher modernste Raster­kraft­mikroskopie, die es erlaubt, die chemische Struktur einzelner Moleküle direkt abzubilden.

Den Wissenschaftlern gelang es zum ersten Mal, funktionale Moleküle kovalent, also mit einer stabilen chemischen Bindung, an Graphen­kanten anzubringen. „Es ist sinnvoll, nur die Kanten des Materials zu modifizieren, da so die positiven Eigenschaften des Graphens nicht zerstört werden", sagt Auwärter.

Die Forscher wählten die Porphyrin-Moleküle wegen ihrer besonderen Eigenschaften. „Porphyrine sind beispiels­weise verantwortlich für den Sauerstoff-Transport im Hämoglobin", erklärt Auwärter. Je nachdem, welche Metalle sich im Zentrum befinden, verändern die Moleküle ihre Eigenschaften und können unterschiedliche Aufgaben übernehmen, etwa die spezifische Bindung von Gas­molekülen wie Sauer­stoff und Kohlen­dioxid. Porphyrine sind für ihre prägnanten funktionellen Eigenschaften bekannt, die beispielsweise bei der Photo­synthese im Chlorophyll eine zentrale Rolle spielen. Die neuen Hybrid-Strukturen könnten in den Bereichen der molekularen Elektronik, Katalyse oder auch als Sensoren eingesetzt werden.

Mithilfe der neuen Methode könnte man in Zukunft auch andere Moleküle mit Graphen verknüpfen. Außerdem wollen die Forscher die Reaktion noch besser kontrollieren und Moleküle an Kohlenstoff-Nano­strukturen wie Graphen­bänder anhängen, um diese gezielt zu modifizieren. Diese Nanostrukturen haben eine zentrale Bedeutung für elektronische Anwendungen.

TUM / DE