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.