Molekulare Multiwerkzeuge

Die Funktionalisierung von Oberflächen mit ver­schie­denen physi­ka­lischen oder chemischen Eigen­schaften ist eine Anfor­de­rung in vielen Anwen­dungs­gebieten. So erlaubt zum Beispiel die Struk­turie­rung von Ober­flächen mit wasser­liebenden und wasser­abwei­senden Flächen eine Tren­nung von Emul­sionen, wie Wasser und Öl. Die Schaf­fung von defi­nierten Ober­flächen­eigen­schaften ist jedoch eine Heraus­forde­rung. Forscher des MPI für Polymer­forschung und der Uni­ver­si­täten für Wissen­schaft und Technik sowie für elek­tro­nische Wissen­schaft und Techno­logie in China haben nun Ober­flächen ent­wickelt, die durch sicht­bares Licht struk­tu­riert werden können.

Das internationale Forscherteam hat Oberflächen entwickelt, die mit einem spezi­ellen Molekül bedeckt sind, das ein Ruthenium-Atom in seinem Zentrum hat. Der Molekül-Komplex ist fest mit der Ober­fläche ver­bunden und wirkt als mole­ku­lares Werk­zeug. „Man kann sich das Molekül als Schrauben­zieher vor­stellen, an den ver­schie­dene Bits ange­dockt werden können. Das bedeutet, dass wir die Ober­fläche durch Wechsel der Bits mit ver­schie­denen Funk­tionen aus­statten können, beispiels­weise mit wasser­abwei­senden Eigen­schaften“, sagt Si Wu vom MPI für Polymer­forschung.

Das Andocken von solchen Bits – den Thioether-Gruppen, orga­nischen Mole­külen, die ein Schwefel­atom auf­weisen – wurde bisher durch chemische Ver­bin­dungen bewerk­stelligt, die nur schwer wieder ent­fernt werden konnten. Eine Ent­fer­nung war in der Ver­gangen­heit nur über kompli­zierte chemische Methoden möglich, die gleich­zeitig die funktio­nalen Thioether-Gruppen sowie die an der Ober­fläche ange­brachten Ruthenium-Komplexe zer­störte. Jetzt konnten die Forscher zeigen, dass die Ent­fer­nung der Thioether-Gruppen einfach durch sicht­bares Licht möglich ist. „Das ist sehr wichtig wenn wir etwa an Bio­mole­küle auf der Ober­fläche denken, die durch UV-Licht zer­stört werden können. Daher haben wir in unserer Arbeit mit sicht­barem Licht experi­men­tiert, das weniger Energie besitzt und damit ange­dockte Bio­mole­küle nicht zer­stört“, so Wu.

Mit der neu entwickelten Methode ist es somit möglich, Ober­flächen sehr ein­fach zu struktu­rieren. Im Dunkeln wird die komplette Ober­fläche mit einem Molekül mit gewünschten Eigen­schaften funktio­nali­siert. Die Ober­fläche wird darauf­hin durch eine Schatten­maske beleuchtet. Das löst die Ver­bin­dungen zwischen dem Ruthenium-Komplex, der fest mit der Ober­fläche ver­bunden ist, und der ange­dockten funktio­nalen Thioether-Gruppe. Nach Waschen der Ober­fläche wird die Funktio­na­lität somit an den belich­teten Stellen ent­fernt, nur die unbe­lich­teten Stellen bleiben zurück. Da der Ruthenium-Komplex fest mit der Ober­fläche ver­bunden ist, beim Waschen also zurück­bleibt, kann er immer wieder genutzt werden, um andere „Bits“ – andere Funktio­nali­täten – auf die Ober­fläche aufzu­bringen. Daher kann die Ober­fläche mehr­fach rekon­figu­riert werden.

MPI-P / RK