Innovatives Verfahren eröffnet neue Perspektiven für Anwendungen in der Dünnschichttechnologie
Forschende der Universität Leipzig arbeiten an Methoden zur Synthese von Materialschichten mit gasförmigen Molekülbruchstücken
Seit fünf Jahren arbeiten Forschende der Universität Leipzig an grundlegend neuen Methoden, um gasförmige, geladene Molekülbruchstücke gezielt zu neuen, komplexen Molekülen zusammenzusetzen. Die neu synthetisierten Substanzen werden auf Oberflächen abgeschieden. Dieses innovative Verfahren eröffnet neue Perspektiven für Anwendungen in der modernen Nanoelektronik und Sensorik. Es bietet auch neue Forschungsansätze in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen, die von der Katalysatorforschung bis hin zu medizinischen Anwendungen reichen. Eine Zusammenfassung der Forschungsergebnisse der vergangenen fünf Jahre haben die Wissenschaftler der Universität Leipzig gemeinsam mit ihren Kooperationspartner:innen der Purdue Universität (USA) in der Fachzeitschrift „Nature Reviews Chemistry“ veröffentlicht.
„Bisher wurden geladene Molekülbruchstücke hauptsächlich in der analytischen Chemie untersucht, um die Struktur von Molekülen zu bestimmen. Die Forschung der letzten Jahre hat jedoch gezeigt, dass diese Molekülbruchstücke auch für synthetische Anwendungen von großer Bedeutung sind. Durch ihre kontrollierte Abscheidung auf Oberflächen können chemische Reaktionen initiiert werden, die mit herkömmlichen Synthesemethoden nicht möglich wären“, erklärt Forschergruppenleiter Prof. Dr. Jonas Warneke vom Wilhelm-Ostwald-Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Leipzig.
Die verwendeten Forschungsinstrumente, die speziell für sogenannte Dünnschichtsynthesen mit geladenen Molekülbruchstücken optimiert wurden, existieren weltweit nur an zwei Standorten. Sie wurden gemeinsam von den Forschungsgruppen um Professor Warneke und Professorin Julia Laskin von der Purdue Universität entwickelt. Als Dünnschichtsynthese bezeichnet man die Herstellung dünner Schichten mit Dicken im Nanometer- bis Mikrometerbereich.
Lange Forschungsgeschichte in Leipzig
Das Leipziger Forschungsteam berichtet in dem Artikel über seine Arbeiten zur kontrollierten chemischen Bindungsbildung mit „aggressiven“ Molekülbruchstücken. So konnte das chemisch reaktivste, negativ geladene Molekülbruchstück, das bisher bekannt ist und eine lange Forschungsgeschichte in Leipzig hat, gezielt an andere Moleküle angebunden werden. Beispielsweise wurde auch der als wenig reaktiv geltende Stickstoff aus der Luft in Schichten auf Oberflächen gebunden. Dies eröffnet neue Möglichkeiten, solche wenig reaktiven chemischen Rohstoffe zur Synthese neuer Moleküle und Funktionsmaterialien auf Oberflächen zu verwenden oder die Eigenschaften von Materialoberflächen gezielt zu verändern.
Das Forschungsteam der Purdue Universität beschreibt in dem Artikel seine Arbeiten zur Verknüpfung metallhaltiger, geladener „Nanocluster“ (kleine Partikel mit genau definierter Atomanzahl), die aufgrund ihrer besonderen magnetischen und elektronischen Eigenschaften für Quantentechnologien von Interesse sind. Darüber hinaus wird über die gemeinsame Arbeit der beiden Forschungsgruppen zur Entwicklung der Instrumente und zur Reaktion molekularer, geladener Katalysatoren auf Oberflächen berichtet.
„Wir möchten in den kommenden Jahren unsere Arbeiten durch die Entwicklung noch leistungsfähigerer Instrumente zur Dünnschichtsynthese mit Molekülfragmenten optimieren“, sagt Warneke. Dies könnte die Synthese von Materialien im Mikromaßstab ermöglichen und den Weg für Anwendungen der außergewöhnlichen neuen Verbindungen, die aus Molekülbruchstücken zusammengesetzt wurden, in der Mikrosystemtechnik ebnen. Zudem entwickelt das Leipziger Forschungsteam neue Wege zur Analyse großer Biomoleküle auf Oberflächen durch Anbindung geladener Molekülbruchstücke, was für das grundlegende Verständnis der biologischen Funktionen dieser Moleküle an Zelloberflächen von Bedeutung sein könnte.
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