25.03.2020

Selbstorganisierte Superstruktur

Kontrolle über die Größe von Molekül-Superstrukturen auf Oberflächen.

Die meisten technischen Geräte werden von Menschen oder Maschinen aus einzelnen Komponenten Stück für Stück nach einem Bauplan zusammen­gesetzt. Lebende Organismen hingegen basieren auf einem anderen Konzept, Moleküle ordnen sich selbständig zu größeren Einheiten an. Ein einfaches Beispiel für diese molekulare Selbst­organisation ist das Wachsen nahezu perfekter Kristalle aus Zucker- oder Salzmolekülen, die sich ziellos in einer Lösung bewegen. Um die Bildung makroskopischer Strukturen aus Molekülen besser zu verstehen, hat ein Forschungs­team aus der Experi­mentellen und Angewandten Physik sowie der Organischen Chemie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel derartige Prozesse mit maßge­schneiderten Molekülen nachgeahmt. Die Forscher konnten verschiedene Muster von Molekülen unter­schiedlicher Größe herstellen, darunter regelrechte Super­strukturen.

Abb.: Moleküle auf einer Silber­oberfläche haben sich selbst­ständig zu...
Abb.: Moleküle auf einer Silber­oberfläche haben sich selbst­ständig zu einer groß­flächigen Struktur von 45 Nano­metern Kanten­länge angeordnet. (Bild: M. Gruber & T. Jasper-Tönnies)

Die Forscher brachten dreieckige Moleküle (Methyl­trioxatriangu­lenium) auf Gold- und Silber­oberflächen auf und untersuchten mit einem Rastertunnel­mikroskop die sich bildenden wabenförmigen Molekül­anordnungen. Sie bestehen aus regelmäßigen Mustern, deren Größe die Wissenschaftler steuern konnten. „Unsere größten Muster enthalten Unter­einheiten mit je 3.000 Molekülen – das sind etwa zehnmal mehr als bisher berichtet wurde“, sagt Manuel Gruber vom Institut für Experi­mentelle und Angewandte Physik.

Das Forschungs­team entwickelte außerdem ein Modell der Kräfte zwischen den Molekülen, die die Struktur­bildung bestimmen. „Das Besondere an unseren Ergebnissen ist, dass wir die unerwartet großen Strukturen erklären, vorhersagen und nun auch gezielt erzeugen können", so Gruber weiter. „Das ist nützlich für nano­technologische Anwendungen wie die Funk­tionalisierung von Oberflächen.“ 

Die Arbeit wurde gefördert von der Deutschen Forschungs­gemeinschaft DFG im Rahmen des Kieler Sonder­forschungsbereichs 677 „Funktion durch Schalten“ und des DFG-Schwerpunkt­programms 1928 „Koordinations­netzwerke als Bausteine für Funktions­systeme“. 

CAU Kiel / JOL

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