Reitende Moleküle

Viele Wissen­schaftler richten derzeit ihr Forschungs­interesse auf eine Klasse von Kohlen­stoff-Verbin­dungen, die für die gezielte Veränderung von Ober­flächen und für die Steuerung kata­lytischer Reaktionen wichtig sind. Über das Verhalten dieser Moleküle, Carbene genannt, ist jedoch wenig bekannt. Chemikern und Physikern der West­fälischen Wilhelms-Universität Münster WWU gelang es nun, eine neue und völlig unerwartete Eigen­schaft der Carbene aufzuklären. Sie zeigten, wie es diesen Molekülen gelingt, sich selbst zu ordnen und stabile Filme zu bilden.

Die Wissen­schaftler untersuchten Carben-Moleküle auf einer Gold­oberfläche. Mithilfe der Raster­tunnel­mikroskopie konnten die Physiker im münsterschen Center for Nano­Technology (CeNTech) erstmals Carbene mit mole­kularer Auflösung abbilden. Chemiker der Arbeits­gruppe von Frank Glorius vom Organisch-Chemischen Institut der WWU hatten die Carbene zuvor hergestellt.

„Über­raschend zeigte sich, dass sich die Carben-Moleküle auf der Goldoberfläche von selbst ordneten, was eine hohe Beweg­lichkeit voraussetzt“, berichtet Harald Fuchs vom Physi­kalischen Institut der WWU, wissenschaftlicher Leiter des CeNTech. Für die Forscher war dies eine uner­wartete Entdeckung, denn Carbene sind Moleküle, die stabile Filme bilden und so die darunter­liegende Metall­oberfläche vor äußeren Einflüssen schützen, also beispiels­weise Korrosion verhindern. „Wir waren davon ausgegangen, dass diese Moleküle daher fest und unver­rückbar an die Gold­oberfläche binden. Statt­dessen haben wir gesehen, dass sich bestimmte Carbene bewegen und dicht zusammen­lagern“, erläutert Frank Glorius.

Einerseits fest mit der Ober­fläche verbundene Filme, anderer­seits bewegliche Moleküle – diesen scheinbaren Widerspruch klärte der Forscher­verbund durch Unter­suchungen mit dem Raster­tunnel­mikroskop, gezielte chemische Verän­derungen an den Carbenen und theore­tische Simula­tionen. Das Team zeigte: Die verwendeten Carbene („N-hetero­cyclische Carbene“) gehen zwar eine feste chemische Verbindung mit einzelnen Atomen aus der Gold­oberfläche ein. Sie lösen diese Gold-Atome aber heraus und gleiten auf ihnen über die Ober­läche.

„Durch die Bindungs­kräfte der Gold-Atome unter­einander bleiben die Jockey-Carbene auf der Oberfläche, sind aber auf ihr mobil und lagern sich zu geordneten Filmen zusammen. Das Prinzip ist ähnlich wie bei einer Vorhang­schiene: Die Vorhang­röllchen können sich zwar entlang der Schiene bewegen, können sich aber nicht von ihr lösen“, veran­schaulicht Harald Fuchs. Die Forscher hoffen, dass ihre Entdeckung in Zukunft technisch nutzbar ist. Sie könnte beispiels­weise helfen, verbes­serte Elektroden zu entwickeln oder chemische Kata­lysatoren zu optimieren, was für die Industrie wichtig ist.

WWU / JOL