Die Kunst des molekularen Teppichknüpfens

04.01.2012: Stabile zweidimensionale Netzwerke aus organischen Molekülen sind wichtige Bausteine für verschiedenste Aufgaben in der Nanotechnologie. Doch diese nur eine Atomlage dicken Netzwerke gleichzeitig mit hoher Qualität und großer Stabilität herzustellen, ist zurzeit noch eine große Herausforderung. Wissenschaftlern des Exzellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM) ist es nun gelungen, solche Netzwerke aus Borsäure-Molekülen herzustellen. Die aktuelle Ausgabe des Fachmagazins ACSnano berichtet über ihre Ergebnisse.

Selbst im teuersten Orientteppich sind nie perfekt geknüpft. Es wird erzählt, dass die religiösen Teppichknüpfer aus Demut bewusst kleinste Fehler in ihre feinen Teppiche einbauen, denn nur Gott käme das Recht zu frei von Fehlern zu sein. Davon sind molekulare Teppiche, wie sie die Nanotechnologie gerne hätte, noch weit entfernt. Physiker um Dr. Markus Lackinger von der Technischen Universität München (TUM) und Professor Thomas Bein von der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem sie aus Borsäure-Bausteinen polymere Netzwerke hoher Qualität aufbauen können.

Die „Teppiche“, an denen die Physiker in ihrem Labor im Deutschen Museum München arbeiten, bestehen aus geordneten zweidimensionalen Strukturen, entstanden durch Selbstorganisation von Boronsäure-Molekülen auf einer Graphit-Oberfläche. Dabei verknüpfen sich die Moleküle durch Abspaltung von Wasser zu einem durchgehend von chemischen Bindungen zusammen gehaltenen und damit sehr stabilen Teppich. Durch die wabenartige, gleichmäßige Anordnung des nur eine Atomlage dicken Netzwerks ergibt sich eine nanostrukturierte Oberfläche, deren Poren beispielsweise als stabile Formen für die Herstellung von Metall-Nanopartikeln verwendet werden könnten.

Auch bei den Molekülteppichen gibt es fast fehlerfreie Modelle, leider sind diese nicht sehr stabil. Bei ihnen basiert die Verknüpfung der Moleküle untereinander auf schwachen Bindungen wie beispielsweise Wasserstoff-Brückenbindungen oder van der Waals-Kräften. Der Vorteil dieser Variante ist, dass Fehler in der regelmäßigen Struktur noch während des Selbstorganisationsprozesses behoben werden können, indem sich fehlerhafte Verknüpfungen wieder lösen und sich die korrekten Verknüpfungen ausbilden können.

Viele Anwendungen erfordern jedoch molekulare Netzwerke, die mechanisch, thermisch oder auch chemisch stabil sind. Solche belastbaren Molekülteppiche können entstehen indem man die Moleküle über starke chemische Bindungen verknüpft. Der Nachteil wiederum ist, dass dann die normalerweise nicht vermeidbaren Knüpffehler wegen der großen Bindungsstärke nicht mehr korrigierbar sind.

Markus Lackinger und seine Kollegen haben nun einen Weg gefunden, einen Molekülteppich mit stabilen kovalenten Bindungen ohne größere Webfehler herzustellen. Die Methode beruht auf einer Verknüpfungsreaktion, die aus einzelnen Borsäure-Molekülen einen molekularen Teppich entstehen lässt. Bei der eingesetzten Kondensationsreaktion werden Wasser-Moleküle freigesetzt. Lässt man die Verknüpfung bei Temperaturen knapp über 100°C in Gegenwart geringer Mengen von Wasser ablaufen, können Webfehler während des Knüpfens nun doch korrigiert werden. Heraus kommt der gewünschte Zauberteppich: Moleküle in einer stabilen und korrekt angeordneten einschichtigen Struktur.

Originalveröffentlichung:
J F Dienstmaier, A M Gigler, A J Goetz, P Knochel, T Bein, A Lyapin, S Reichlmaier, W M Heckl, M Lackinger; "Synthesis of well-ordered COF monolayers: Surface growth of nanocrystalline precursors versus direct on-surface polycondensation"; ACS Nano Vol. 5, 12, 9737-9745.