Moleküle in der stabilen Seitenlage

Neue Möglichkeit zur Herstellung organischer Dünnstschichten

15.05.2007

Wie von Zauberhand bilden sich geordnete, dünnste, organische Schichten auf metallischen Oberflächen aus, wenn man sie in spezielle Lösungen taucht: SAM, für self assembled monolayers, nennen Chemiker diese Beschichtungen, die inzwischen für die Herstellung von Sensoren, Korrosionsschutz und als Schmierstoff eine breite Anwendung gefunden haben. Die jeweils eingesetzten Moleküle verankern sich auf den Oberflächen durch Ausbilden einer chemischen Bindung. Als Anker dient normalerweise eine Thiogruppe (-SH). Chemiker der Ruhr-Universität um Prof. Dr. Christof Wöll (Lehrstuhl für Physikalische Chemie I) probierten nun etwas anderes aus und ersetzten die -SH-Gruppe durch die etwas größere Thioacetatgruppe -SCOCH3. Das Ergebnis war ebenfalls eine geordnete Dünnschicht - jedoch stehen die angehefteten Moleküle nicht aufrecht, sondern legten sich auf der Unterlage flach.

In den letzten Jahren haben organische Beschichtungen auf festen Substraten, insbesondere auf Metallen, eine Reihe neuer Anwendungen gefunden; unter anderem bei der Herstellung von Sensoren ("intelligente" Oberflächen), in der Lithographie, beim Korrosionsschutz und als Schmierstoffe. "Einen Durchbruch stellte hierbei die Entdeckung spezieller Moleküle dar, die die Herstellung solcher Schichten durch Selbstorganisation ermöglichen: Es reicht, ein Werkstück einfach nur kurz in eine alkoholische Lösung dieser speziellen Substanzen einzutauchen", erklärt Prof. Wöll. Eine hochgeordnete, nur einen Nanometer dicke aber fast defektfreie Schicht bildet sich dann von selbst aus.

Für dieses Verfahren müssen die jeweils eingesetzten Moleküle fest auf der Unterlage befestigt werden. Der dafür meistgenutzte Anker ist die schwefelhaltige Thiolgruppe, -SH. Kommt dieses Molekül in Kontakt mit einem Metal (z.B. Gold), spaltet sich das H-Atom ab und es entsteht eine feste Bindung zwischen dem Schwefel und der Unterlage. "Prinzipiell ist es möglich, eine SH-Gruppe an jedes organische Molekül anzufügen, allerdings kann die dazu erforderliche Synthesechemie unter Umständen recht kompliziert sein", so Wöll. Seine Arbeitsgruppe konnte nun neue, interessante Effekte erzielen, indem sie die Thiolgruppe durch eine Thioacetatgruppe, -SCOCH3, ersetzten. Bei diesen in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Andreas Terfort (damals Uni Hamburg, jetzt Uni Marburg) durchgeführten Arbeiten konnte sie zeigen, dass bei Ersatz der Thiolgruppe durch Thioacetat zwar ebenfalls SAMs entstehen, diese aber eine andere molekulare Orientierung zeigen. "Anstatt wie sonst üblich senkrecht von der Oberfläche wegzustehen wie die Haare eines Pelzes liegen die Moleküle jetzt flach - sozusagen in der stabilen Seitenlage", beschreibt Prof. Wöll. Nächstes Ziel der Forscher ist es zu untersuchen, für welche Anwendungen sich dieser neue Effekt eignet.

Originalveröffentlichung: Mihaela G. Badin, Asif Bashir, Simone Krakert, Thomas Strunskus, Andreas Terfort, Christof Wöll: "Kinetisch stabile, flach liegende Thiolat-Monoschichten."; : Angewandte Chemie 2007, 119, 3837-3839.

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