Forscher entwickeln "molekularen Teppich" im Nanometermaßstab

16. Februar 2012, 19:04
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Material besteht, ganz ähnlich wie Graphen, aus nur einer Molekülschicht

Einem Forscherteam unter der Leitung von A. Dieter Schlüter und Junji Sakamoto von der ETH Zürich ist es erstmals gelungen, flächige Polymere herzustellen, die regelmäßig angeordnet eine Art "molekularen Teppich" im Nanometermaßstab bilden.

Polymere entstehen, indem sich kleine einzelne Moleküle, sogenannte Monomere, durch chemische Reaktionen zu großen Makromolekülen kettenförmig verbinden. Schlüter trieb schon seit seiner Habilitation die Frage um, ob Polymere ausschließlich linear sein müssen oder ob man auch zweidimensionale Moleküle erzeugen könnte. Das heißt, die Moleküle wären dann nicht in einer Kette angeordnet, sondern würden eine Art Teppich bilden. In der Natur kommt ein zweidimensionales Polymer in Form von Graphen vor. Kohlenstoffatome gehen da jeweils drei Bindungen ein und bilden so ein wabenförmiges Muster. Das Problem: Graphen kann nicht kontrolliert synthetisiert werden. Als Schlüter und Sakamoto vor einigen Jahren an der ETH Zürich aufeinander trafen, suchten sie gemeinsam nach einer Antwort, wie man ein zweidimensionales Polymer herstellen könnte.

Einkristall

Wie Graphen müsste ein derartiges Polymer drei oder mehr Bindungen zwischen den sich regelmäßig wiederholenden Molekülen haben. Die Wissenschafter mussten herausfinden, welche Verbindungschemie und Umgebung sich für die Herstellung eines "molekularen Teppichs" am besten eignet. Nach intensiven Analysen bisheriger Studien und Möglichkeiten entschieden sie sich dafür, einen Einkristall, das heißt einen Kristall mit einem homogenen Schichtgitter, zu verwenden.

Dem Doktoranden Patrick Kissel gelang es, spezielle Monomere herzustellen und diese in einem Einkristall zu kristallisieren. Er generierte hierfür photochemisch empfindliche Moleküle, für die eine solche Anordnung energetisch optimal ist. Diese wurden mit Licht mit einer Wellenlänge von 470 Nanometern bestrahlt und so wurde jede Schicht zum Polymeren. Danach kochten die Forschenden den Kristall in einem geeigneten Lösungsmittel, um die einzelnen Schichten voneinander abzutrennen. Mit jeder Schicht erhielten die Forschenden das gewünschte zweidimensionale Polymer. Dass es dem Team tatsächlich gelungen war, flächige Polymere mit regelmäßigen Strukturen herzustellen, zeigten spezielle Untersuchungen am Elektronenmikroskop, die Empa-Forscher Rolf Erni und Marta Rossell von der ETH Zürich durchführten.

Komplette Kontrolle

Die Forscher haben die komplette strukturelle Kontrolle über die Monomere, wie es beispielsweise bei Graphen nie möglich wäre, da dort mit enorm hohen Temperaturen gearbeitet werden müsste. "Unsere synthetisch hergestellten Polymere sind zwar nicht leitfähig wie Graphen, dafür könnten wir sie aber beispielsweise zum Filtern kleinster Moleküle nutzen", sagt Sakamoto. In den regelmäßig angeordneten Polymeren könnten winzige Hexagone entfernt werden, so dass dadurch eine Art Sieb entstehen würde. Zuerst müssen die Forscher jedoch einen Weg finden, größere Mengen von noch größeren Flächen des neuen Polymers herzustellen. Die Kristalle haben derzeit eine Größe von 50 Mikrometern. (red)

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