Maßgeschneiderte Nanostrukturen Puzzeln für Profis: ohne klebrige Finger Moleküle zusammenbauen

An der Universität Gießen tüfteln Wissenschaftler an dem wohl kleinsten Puzzle der Welt: Sie schieben einzelne Moleküle atomgenau hin und her und fertigen so neue chemische Verbindungen. Wie ihnen das so präzise gelingt und welche Rolle „klebrige Finger“ beim Molekül-Puzzle spielen, zeigt dieser Beitrag.

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Justus-Liebig-Universität Gießen

Gießen – Welche Auswirkungen hätte es, wenn wir neue Materialien Atom für Atom konstruieren könnten? Mit dieser Frage begründete der Physiker Richard Feynman bereits im Jahr 1959 das Feld der Nanotechnologie. In den frühen 1990er Jahren formulierte der Ingenieur K. Eric Drexler die weitaus kühnere Vision, diese Aufgabe in Zukunft sogar von winzigen Maschinen erledigen zu lassen. Damit wären solche Maschinen in der Lage, nahezu beliebige Nanoarchitekturen – die chemische Stabilität vorausgesetzt – herzustellen und diese mit maßgeschneiderten Eigenschaften auszustatten.

Derartige Vorschläge werden seit Jahrzehnten heftig debattiert. Richard Smalley, Nobelpreisträger für Chemie von 1996, äußerte im Wesentlichen zwei Gegenargumente: Zum einen ließen sich die einzelnen Bausteine (Atome oder Moleküle) mithilfe der „Finger“ (bzw. Werkzeuge) solcher Fertigungsmaschinen nicht präzise genug ausrichten, da diese Finger selbst nicht unendlich zu verkleinern wären – sie bestünden schließlich auch aus Atomen. Zum anderen würden sowohl die molekularen Bausteine als auch die Produkte aufgrund von Adhäsionskräften stets an den Fingern haften bleiben. Diese triftigen Argumente gingen als das „fat finger“- und das „sticky finger“-Problem in die Wissenschaftsgeschichte ein.

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Drei Schritte zum neuen Molekül

Doch nun haben Physiker und Chemiker der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) eine Methode entwickelt, mit der sie organische Nanoarchitekturen Molekül für Molekül zusammenbauen können. Dabei haben sie die beiden von Smalley angeführten Hürden umgangen: Als Unterlage für ihr molekulares Puzzle dient den Wissenschaftlern eine inerte Salzoberfläche. Sie übernimmt die Aufgabe einer „non-sticky hand“. Als zweites Werkzeug dient die scharfe Spitze eines Rasterkraftmikroskops, die in einem einzelnen Atom bzw. Molekül endet – sie ist sozusagen der „non-fat finger“. Mit diesem „Finger“ werden sukzessive drei Reaktionsschritte durchgeführt: Zunächst werden die molekularen Ausgangsstoffe aktiviert, also sozusagen für die spätere chemische Reaktion scharf gemacht. Die aktivierten molekularen Bausteine schieben die Wissenschaftler dann auf der Salzoberfläche atomgenau in die richtige Position, um sie schließlich mithilfe der Rastersondenspitze zur Reaktion zu bringen und über chemische Bindungen zu verknüpfen. Diese Reaktionsschritte werden jeweils mithilfe von kurzen Spannungspulsen induziert, welche zwischen der Spitze und der Oberfläche angelegt werden.

So können die JLU-Wissenschaftler in Zukunft neue organische Nanomaterialen herstellen und systematisch untersuchen, wie sich die Struktur auf deren Eigenschaften auswirkt. Damit soll es möglich werden, die Eigenschaften der Nanoarchitekturen gezielt zu beeinflussen. Dies ist besonders interessant für die Anwendung in elektronischen Bauelementen wie organischen Feldeffekttransistoren (OFET), Leuchtdioden (OLEDs z.B. für Smartphonedisplays) oder Solarzellen. Außerdem können durch die schrittweise herbeigeführten chemischen Reaktionen neue Erkenntnisse über die Reaktionsmechanismen von Molekülen auf Oberflächen erlangt werden.

Originalpublikation: Qigang Zhong, Alexander Ihle, Sebastian Ahles, Hermann A. Wegner, Andre Schirmeisen and Daniel Ebeling: Constructing covalent organic nanoarchitectures molecule by molecule via scanning ‎probe manipulation, Nature Chemistry (2021); DOI: 10.1038/s41557-021-00773-4

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