Mosaike für neue Materialien

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.

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