Nanostrukturen auf Knopfdruck

TUWien

An der TU Wien wurden Bausteine entwickelt, die sich ganz von selbst zu komplizierten Strukturen zusammenfügen.

Wenn man winzige Nanostrukturen herstellen will, kann man entweder genau die richtigen Bausteine aneinanderfügen oder ein Material mit Präzisionswerkzeugen zuschneiden. Praktischer ist es, wenn man Moleküle hat, die sich ganz von selbst zu einer wohlgeordneten Struktur zusammenbauen.
Einem Forschungsteam von der TU Wien, der KU Leuven (Belgien) und dem MPI Mainz (Deutschland) gelang es nun, Moleküle je nach angelegter elektrischer Spannung zwischen zwei- und dreidimensionale Anordnungen hin und her wechseln zu lassen.

Umschalten zwischen verschiedenen Nanostukturen
Im Normalfall besteht die Erwartung, dass sich Moleküle auf einer Oberfläche einfach ganz zufällig anordnen, wie Spielzeugkugeln, die man über den Boden rollen lässt. Manche Moleküle können aber mehr: „Wenn zwischen ihnen die richtigen Kräfte wirken, verbinden sie sich automatisch zu einer komplexen Struktur“, erklärt Stijn Mertens vom Institut für angewandte Physik der TU Wien.
Diesen Effekt zu kontrollieren ist meist sehr schwierig. Nun konnte eine Methode gefunden werden, ein bestimmtes positiv geladenes Molekül (PQP+) sogar zwischen verschiedenen Ordnungszuständen wechseln zu lassen. Die Moleküle werden dabei auf einer ebenen Goldfläche aufgebracht und dann mit einer Elektrolytlösung bedeckt.

Spannung und chemische Struktur entscheidend
Zwischen dem Golduntergrund und der Elektrolytlösung wird dann eine elektrische Spannung angelegt und die Moleküle bilden eine poröse Struktur. Je stärker der Golduntergrund negativ aufgeladen wird, umso mehr PQP+ Moleküle können sich pro Fläche anlagern.
Daher können sich je nach elektrischer Spannung unterschiedliche geordnete Muster ergeben. „Je höher die Ladung im Gold, umso dichter wird die Überdeckung mit den PQP+ Molekülen“, erklärt Stijn Mertens. „Bei all diesen Beispielen von Selbstorganisation legt die chemische Struktur der Bausteine bereits fest, welche Anordnungen in der Ebene möglich sind.“

Sechseckige Blumenmuster
Zunächst bilden die Moleküle sechseckige, blütenartige Strukturen aus. Erhöht man die Spannung, drehen sich die Moleküle und rücken auseinander. In der Mitte jeder Sechsergruppe wird dann ein Platz für ein zusätzliches Molekül frei und eine neue, dichtere Struktur entsteht. Erhöht man die Spannung weiter, rücken die Moleküle schließlich übereinander und formen eine dreidimensionale Struktur. Mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopen kann man die winzigen Strukturen mit Abmessungen im Bereich von wenigen Nanometern abbilden.
„Dieses Maß an Kontrolle und Reproduzierbarkeit ist bei selbstorganisierenden Molekülen ungewöhnlich“, so Mertens weiter. Insbesondere der Wechsel zwischen zwei- und dreidimensionalen Strukturen konnte vorher noch nie beobachtet werden wenn nur eine einzige Sorte chemischer Bausteine verwendet wird.
„Nützlich könnte das für künstliche Rezeptoren, hochspezifische Detektoren oder neue, intelligente Materialien sein“, hofft Mertens. Auch Flüssigkristall-Displays funktionieren auf ähnliche Weise: Auch dort wird die Ausrichtung von Molekülen mit Hilfe elektrischer Felder kontrolliert.