Molekulare Wagenburgen

Für die Massenproduktion von nanostrukturierten Katalysatoren, Sensoren oder Diagnose-Hilfen nutzen britische Physiker geschickt die Selbstordnungskräfte von Molekülen aus

St Andrews (Großbritannien) – Nanostrukturierte Oberflächen aus Metallen, Halbleitern oder organischen Molekülen können die Effizienz von Katalysatoren und die Empfindlichkeit von Sensoren steigern. Doch in den Laboren entstanden bisher meist nur aufwändig gefertigte Einzelstücke. Für die Massenproduktion großer, funktioneller Oberflächen wird immer noch nach günstigen und zuverlässigen Methoden gesucht. Auf diesem Weg gelang britischen Wissenschaftlern ein großer Schritt vorwärts. Wie sie in der Zeitschrift "Nature" berichten, kombinierten sie erstmals die Selbstordnungskräfte von Molekülen zur Fertigung eines robusten Nanorasters und für die darauf anschließende Beschichtung mit Monolagen.

"Wir konnten zeigen, dass sich zwei Strategien kombinieren lassen, um integrierte Netzwerke zu erzeugen, die stabil genug sind für eine weitere Bearbeitung", schreiben Manfred Buck und seine Kollegen von der School of Chemistry der University of St Andrews. Auf einer hochreinen Gold-Oberfläche verteilten sie organische Moleküle aus Melamin und Perylentetracarboxyldiimid (PTCDI). Verbunden über Wasserstoffbrückenbrückenbindungen ordneten sich diese Substanzen selbstständig zu einer symmetrischen, zweidimensionalen Hexagonal-Struktur an. In Abständen von nur 35 Angström entstanden so zahlreiche Nanoporen, die sich wabenartig über eine große Fläche verteilen. Durch die Variation der Ausgangsstoffe kann sogar die Größe der Poren verändert werden.
In einem zweiten Schritt füllten die Forscher diese Nanoporen mit drei verschiedenen Thiol-Verbindungen. Ohne das ursprüngliche Wabennetzwerk zu zerstören lagerten sich die Thiole exakt in den Leerräumen innerhalb der Poren ab. Auch hier wirkt sich die Selbstorganisation der Moleküle aus, so dass eine monomolekulare Beschichtung entstand (SAM – self assembled monolayers).

Im Unterschied zu allen bisherigen Ansätzen zur Ausnutzung der Selbstorganisation nutzten Buck und Kollegen mit den Thiolen eine Molekülklasse, die für eine weitere Bearbeitung der Nanostrukturen geeignet ist. An den Thiolen können einerseits spezifische Biomoleküle angedockt werden, wodurch prinzipiell empfindliche Sensorbereiche für die medizinische Diagnostik produziert werden können. Andererseits zeigte Bucks Arbeitsgruppe, dass das Nanonetzwerk stabil genug ist, um auf dieses gezielt Kupfer-Ionen über einen elektrochemischen Prozess deponieren zu können.

"Buck und Kollegen liefern ein Basisrezept für die strukturierte Oberflächen, das viel versprechende Möglichkeiten für exakte Molekülarray bietet", schreibt Michael Grunze von der Universität Heidelberg in einem begleitenden Kommentar. Neben der großen Stabilität des Nanonetzwerks kann das einfache Produktionsverfahren über nasschemische Verfahren zu einer breiten Anwendung dieser Methode führen.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• "Functionalizing hydrogen-bonded surface networks with self-assembled monolayers", Rafael Madueno et al., Nature, Vol. 454, S. 618
• "Patterns from molecular corrals", Michael Grunze, Nature, Vol. 454, S. 585
• University of St Andrews:
  http://www.st-and.ac.uk
• School of Chemistry:
  http://chemistry.st-andrews.ac.uk/
  

Weiterführende Literatur:

• Blunt, M. et al. Chem. Commun. 2304–2306 (2008).
• Pawin, G., Wong, K. L., Kwon, K.-Y. & Bartels, L. Science 313, 961–962 (2006).
• Theobald, J. A et al. Nature 424, 1029–1031 (2003).