Mosaike für neue Materialien
Archimedischen Parkettierungen ermöglichen außergewöhnliche Eigenschaften.
Um eine Fläche mit gleichförmigen Kacheln lückenlos zu pflastern, kommen nur wenige geometrische Grundformen in Frage: Dreiecke, Vierecke und Sechsecke. Mit zwei oder mehr Kachelformen lassen sich wesentlich mehr und deutlich komplexere Muster erzeugen, die immer noch regelmäßig sind, die Archimedischen Parkettierungen. Auch Materialien können eine solche Parkettierung aufweisen. Diese Strukturen sind häufig mit ganz besonderen Eigenschaften verbunden, zum Beispiel mit außergewöhnlicher elektrischer Leitfähigkeit, spezieller Lichtreflektion oder extremer mechanischer Belastbarkeit. Doch es ist schwierig, solche Strukturen gezielt zu erzeugen. Dafür sind große molekulare Bausteine nötig, die nicht mit den konventionellen Herstellungsprozessen kompatibel sind.
Abb.: Archimedische Parkettierungen sind oft mit sehr speziellen Eigenschaften verbunden, beispielsweise einer ungewöhnlichen elektrischen Leitfähigkeit oder einer speziellen Lichtreflektivität. (Bild: Klappenberger & Zhang, TUM)
Bei einer Klasse supramolekularer Netzwerke brachte nun ein internationales Team um Florian Klappenberger und Johannes Barth von der TU München sowie Mario Ruben vom Karlsruher Institut für Technologie organische Moleküle dazu, sich zu größeren Bausteinen zu verbinden, die selbstorganisiert ein komplexes Parkettmuster bilden. Als Ausgangsverbindung nutzten sie Ethynyl-Iodophenanthren, ein handliches organisches Molekül aus drei aneinandergekoppelten Kohlenstoffringen, das ein Iod- und ein Alkin-Ende besitzt. Auf einem Silbersubstrat bildet dieses Molekül zunächst ein regelmäßiges Netz mit großen sechseckigen Maschen.
Eine Wärmebehandlung setzt dann eine Abfolge chemischer Prozesse in Gang, die einen neuartigen, deutlich größeren Baustein erzeugen, der dann quasi automatisch und selbstorganisiert eine komplexe Schicht mit kleinen sechs-, vier- und dreieckigen Poren bildet. Dieses Muster wird in der Sprache der Geometrie als semireguläre 3.4.6.4 Parkettierung bezeichnet. „Unsere Rastertunnelmikroskopie-Messungen zeigen deutlich, dass am Molekülumbau viele Reaktionen beteiligt sind, was normalerweise zu zahlreichen Abfallprodukten führt. Hier jedoch werden die Nebenprodukte wiederverwendet, so dass der Gesamtprozess mit großer Atomökonomie, das heißt mit nahezu hundertprozentiger Ausbeute, zuverlässig zum gewünschten Endprodukt führt“, erklärt Klappenberger.
Wie es dazu kommt, fanden die Forscher durch weitere Experimente heraus. „Mit Hilfe röntgenspektroskopischer Messungen am Elektronenspeicherring Bessy II des Helmholtz-Zentrums Berlin konnten wir entschlüsseln, wie sich Iod vom Ausgangsstoff abspaltet, Wasserstoffatome zu neuen Plätzen wandern und die Alkin-Gruppen ein Silber-Atom einfangen“, berichtet Yi-Qi Zhang. Mit Hilfe des Silber-Atoms binden sich in der Folge zwei Ausgangsbausteine zu einem neuen, größeren Baustein aneinander. Die neuen Bausteine bilden anschließend die beobachtete komplexe Porenstruktur.
„Wir haben einen völlig neuen Weg entdeckt, um komplexe Materialien aus einfachen organischen Bausteinen herzustellen“, fasst Klappenberger zusammen. „Das ist wichtig, um Materialien mit neuen und extremen Eigenschaften gezielt synthetisieren zu können. Außerdem tragen diese Ergebnisse dazu bei, das spontane Auftauchen von Komplexität in chemischen und biologischen Systemen besser zu verstehen.“
TUM / JOL
