Marburger Physiker und Chemiker erweitern das Verständnis der Ordnungsmechanismen in extrem dünnen Molekülschichten. Molekulare Nanoschichten organisieren sich selbst.
Die Selbstorganisation spezieller Moleküle reicht aus, um Nanoschichten gezielt wachsen zu lassen. Das hat ein Marburger Forschungsteam aus Physik und Chemie herausgefunden. Die beteiligten Wissenschaftler berichten im Wissenschaftsmagazin „Nature Communications“ über ihre Ergebnisse.
„Unsere Studie verfolgt das Ziel, Ordnungsmechanismen zu identifizieren, um mit deren Hilfe die Form molekularer Nanoschichten zu bestimmen“, erklärte der Marburger Physiker Prof. Dr. Gregor Witte. Er ist der verantwortliche Leiter der aktuellen Studie.
Eine Möglichkeit, Nano-Strukturen herzustellen, besteht darin, dünne Molekülschichten mittels chemischer Bindungen auf einer Unterlage zu fixieren. „Das ermöglicht die Herstellung von porösen Netzwerken oder Nanobändern“, legte Wittes Doktorand Maximilian Dreher dar, der die Strukturen mittels hochauflösender Sondenmikroskopie untersucht hat. „Jedoch sind solche Strukturen starr und können wegen der starken Bindungen an das Substrat nicht mehr umgestaltet werden.“
Eine bisher kaum untersuchte Alternative besteht darin, sich auf schwache Wechselwirkungen zwischen Molekülen zu stützen. „In der Natur gibt es mannigfache Selbstorganisationsprozesse, die auf solchen schwachen Wechselwirkungen beruhen“, hob der Chemiker Prof. Dr. Ulrich Koert hervor. Er ist ein weiterer Mitverfasser.
Als eines der bekanntesten Beispiele nannte er die Erbsubstanz „DNA“, deren zwei gegensinnige Stränge durch schwache Wechselwirkungen aneinanderhaften. Die Chemiker um Koert lieferten spezielle Moleküle, deren Ladungsverteilung zu einer eigentümlichen Anordnung führt. Dem Team gelang es, Schichten dieser Moleküle auf einer Unterlage abzuscheiden, ohne dass die Moleküle eine chemische Bindung mit dem darunter befindlichen Trägermaterial eingehen.
„Dabei stellten wir fest, dass die Art und Weise, wie die Nano-Inseln hergestellt werden, ihre Form bestimmt“, berichtete Witte. „Scheidet man weniger als eine ganze Moleküllage ab, so ergibt sich eine andere Inselform, als wenn man eine vollständige Lage durch Heizen ausdünnt“, führte Pierre Dombrowski aus. Er ist ein weiterer Doktorand aus Wittes Labor, der diesen Ordnungsprozess theoretisch analysiert hat.
„Durch geeignetes Design der Moleküle gelingt es also, die Form zweidimensionaler Molekülinseln zu kontrollieren, deren Gestalt nicht durch chemische Anbindung an die Unterlage bestimmt wird und somit eine neuartige Strukturierung molekularer Nanosystem ermöglicht“, fasste Witte zusammen. Witte leitet eine Arbeitsgruppe für Molekulare Festkörperphysik an der Philipps-Universität. Koert lehrt Organische Chemie in Marburg. Beidegehören dem Marburger Sonderforschungsbereich „Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen“ (SFB 1083) der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) an, der die zugrundeliegende wissenschaftliche Arbeit finanziell unterstützt hat.
* pm: Philipps-Universität Marburg