Wie Moleküle sich selbst organisieren
Forscher kontrollieren 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 (CAU) derartige Prozesse mit maßgeschneiderten Molekülen nachgeahmt. Wie sie kürzlich in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie berichteten, konnten sie verschiedene Muster von Molekülen unterschiedlicher Größe herstellen, darunter regelrechte „Superstrukturen“.
Die Aufnahme aus dem Rastertunnelmikroskop zeigt eine großflächige Struktur, zu der sich Moleküle auf einer Silberoberfläche selbstständig angeordnet haben. Jeder Punkt zeigt ein Molekül mit einem Durchmesser von etwa einem Nanometer. Das resultierende Muster besteht aus Dreiecken von 45 Nanometern Kantenlänge.
© Manuel Gruber and Torben 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 Dr. Manuel Gruber vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der CAU.
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.“
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