Nanostrukturen, die sich auf Knopfdruck bilden

Umschalten zwischen verschiedenen Nanostukturen

18.02.2015 - Österreich

Man würde erwarten, dass sich Moleküle auf einer Oberfläche einfach ganz zufällig anordnen, wie Spielzeugkugeln, die man über den Boden rollen lässt. Oft ist das auch so – doch manche Moleküle können mehr. „Wenn zwischen ihnen die richtigen Kräfte wirken, verbinden sie sich automatisch zu einer komplexen Struktur“, erklärt Stijn Mertens. Er ist am Institut für angewandte Physik der TU Wien, für das Labor für elektrochemische Oberflächenphysik zuständig. Diesen Effekt zu kontrollieren ist meist sehr schwierig. Nun konnte eine Methode gefunden werden, das positiv geladene Molekül PQP+ sogar zwischen verschiedenen Ordnungszuständen wechseln zu lassen.

Die Moleküle werden auf einer ebenen Goldfläche aufgebracht und dann mit einer Elektrolytlösung bedeckt. Zwischen dem Golduntergrund und der Elektrolytlösung wird dann eine elektrische Spannung angelegt und die Moleküle bilden eine poröse Struktur. Je stärker der Golduntergrund negativ aufgeladen wird, umso mehr PQP+ Moleküle können sich pro Fläche anlagern. Daher können sich je nach elektrischer Spannung unterschiedliche geordnete Muster ergeben. „Je höher die Ladung im Gold, umso dichter wird die Überdeckung mit den PQP+ Molekülen“, erklärt Stijn Mertens. „Bei all diesen Beispielen von Selbstorganisation legt die chemische Struktur der Bausteine bereits fest, welche Anordnungen in der Ebene möglich sind.“

Sechseckige Blumenmuster

Zunächst bilden die Moleküle sechseckige, blütenartige Strukturen aus. Erhöht man die Spannung, drehen sich die Moleküle und rücken auseinander. In der Mitte jeder Sechsergruppe wird dann ein Platz für ein zusätzliches Molekül frei und eine neue, dichtere Struktur entsteht. Erhöht man die Spannung weiter, rücken die Moleküle schließlich übereinander und formen eine dreidimensionale Struktur. Mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopen kann man die winzigen Strukturen mit Abmessungen im Bereich von wenigen Nanometern abbilden.

„Dieses Maß an Kontrolle und Reproduzierbarkeit ist bei selbstorganisierenden Molekülen ungewöhnlich“, sagt Mertens. Insbesondere der Wechsel zwischen zwei- und dreidimensionalen Strukturen konnte vorher noch nie beobachtet werden wenn nur eine einzige Sorte chemischer Bausteine verwendet wird. „Nützlich könnte das für künstliche Rezeptoren, hochspezifische Detektoren oder neue, intelligente Materialien sein“, hofft Mertens. Auch Flüssigkristall-Displays funktionieren auf ähnliche Weise: Auch dort wird die Ausrichtung von Molekülen mit Hilfe elektrischer Felder kontrolliert.

Originalveröffentlichung

Kang Cui et al.; Squeezing, Then Stacking: From Breathing Pores to Three-Dimensional Ionic Self-Assembly under Electrochemical Control; Angewandte Chemie International Edition; Volume 53, Issue 47, pages 12951–12954, November 17, 2014

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