Effiziente Methode zur Herstellung von maßgeschneiderten organischen Nanostrukturen

Chemik­er und Physik­er der Jus­tus-Liebig-Uni­ver­sität Gießen (JLU) haben eine Meth­ode entwick­elt, mit der sie organ­is­che Nanoar­chitek­turen Molekül für Molekül zusam­men­bauen kön­nen. Für die präzise Aus­rich­tung der Moleküle in der Ebene nutzen sie eine Sal­zober­fläche, auf der sich die Moleküle rel­a­tiv leicht bewe­gen lassen. Als zweites Werkzeug dient die scharfe Spitze eines Rasterkraft­mikroskops, die in einem einzel­nen Atom bzw. Molekül endet.
Mit diesem „Fin­ger“ wer­den sukzes­sive drei Reak­tion­ss­chritte durchge­führt: Zunächst wer­den die moleku­laren Aus­gangsstoffe aktiviert, damit eine spätere inter­moleku­lare Reak­tion möglich wird. Im Anschluss wer­den die zuvor aktivierten moleku­laren Bausteine auf der Ober­fläche zusam­mengeschoben, bevor die Raster­son­den­spitze die chemis­che Reak­tion her­beiführt, die zur Bindung der Moleküle führt. Diese Reak­tion­ss­chritte wer­den jew­eils mit Hil­fe von kurzen Span­nungspulsen induziert, welche zwis­chen der Spitze und der Ober­fläche angelegt werden.
Den Forsch­ern, die im LOEWE-Schw­er­punkt PriOSS (Prinzip­i­en oberflächengestützter Syn­the­ses­trate­gien) zusam­me­nar­beit­en, ist damit die Antwort auf eine Frage gelun­gen, die der Physik­er Richard Feyn­man bere­its im Jahr 1959 aufwarf und mit der er das Feld der Nan­otech­nolo­gie begrün­dete: Welche Auswirkun­gen hätte es, wenn wir neue Mate­ri­alien Atom für Atom kon­stru­ieren kön­nten? 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) mit Hil­fe 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.
Mit der neuen Meth­ode wer­den bei­de Prob­leme umgan­gen: Die inerte, das heißt wenig reak­tions­freudi­ge Sal­zober­fläche übern­immt die Auf­gabe ein­er „non-sticky hand“, und die scharfe Raster­son­den­spitze ist der „non-fat fin­ger“. 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.