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Dr. Gianluca Galeotti an der Ultra-Hoch-Vakuum Anlage.

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Radikale auf Kommando

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Mit einem neuen Verfahren ist es einem Forscherteam um Markus Lackinger im Deutschen Museum gelungen, Kohlenstoff-gebundene Nanostrukturen direkt auf nicht-reaktiven Oberflächen wachsen zu lassen. Das Verfahren könnte man beispielsweise für die einfachere Herstellung von molekularen Transistoren nutzen oder auch für Sensormaterialien oder ultradünne Molekularsiebe. Radikal-Abscheidungs-Quelle (RAQ) heißt das Instrument, das die Forscher dafür im Labor für Nanowissenschaft entwickelt haben.

Dr. Gianluca Galeotti an der Ultra-Hoch-Vakuum Anlage in der die Kohlenstoff-gebundenen Nanostrukturen mit der RAQ (Pfeil) gewachsen und mit dem Rastertunnelmikroskop untersucht wurden. Bild: Deutsches Museum

Großer Fortschritt beim Aufbau im Kleinsten: Mit der eigens entwickelten Radikal-Abscheidungs-Quelle (RAQ) ist einem Team um Markus Lackinger im Deutschen Museum erstmals der Nachweis gelungen, dass sich Kohlenstoff-gebundene Nanostrukturen mit atomarer Präzision direkt auf nicht-reaktiven Oberflächen wachsen lassen. Bisher wurden solche molekularen Drähte, Bänder und Netzwerke üblicherweise zunächst auf einer reaktiven Metalloberfläche synthetisiert, wodurch jedoch ihre besonderen elektronischen Eigenschaften nicht mehr zum Tragen kamen. Um diese Nanostrukturen beispielsweise in einem molekularen Transistor nutzen zu können, mussten sie in einem umständlichen Verfahren nachträglich wieder von den Metallen abgelöst werden. „Mit unserer Methode könnte man sich diesen Arbeitsschritt künftig sparen“, sagt Markus Lackinger, Leiter des Labors für Nanowissenschaften. Zusammen mit Gianluca Galeotti und Massimo Fritton hat er die RAQ erdacht und gebaut.

Herzstück ist ein beheiztes Rohr aus Gold-plattiertem Edelstahl. „Da schicken wir die verdampfte Ausgangssubstanz durch und scheiden am Ende die unterwegs erzeugten Radikale auf einem Träger ab.“ Diese besonders reaktive Spezies bildet dort über Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen sehr robuste Nanostrukturen, die sich mit einem Rastertunnelmikroskop abbilden lassen. Die Studie ist jetzt im Fachjournal Angewandte Chemie erschienen und frei zugänglich (Internationale Ausgabe, Deutsche Ausgabe).

Schema der RAQ: Ein jodiertes DITP Vorläufermolekül (links) wird in ein auf 230 °C geheiztes Edelstahl Rohr gedampft, dessen Innenseite mit Gold plattiert ist. Die heiße Goldoberfläche katalysiert die Abspaltung der Jod-Atome (lila Kügelchen). Dadurch entstehen aus den DITP Vorläufern die entsprechenden Terphenyl Biradikale (rechts), die nach ihrem Austritt aus dem Rohr auf die Zieloberfläche abgeschieden werden können. Bild: Deutsches Museum

Bei den Versuchen hatte das Team einen jodierten Kohlenwasserstoff (4,4‘‘-Diiodo-p-terphenyl, DITP) als Ausgangsmolekül in die RAQ gedampft. Die heiße Goldoberfläche des Röhrchens diente als Katalysator, um das Jod vom DITP abzuspalten und die dabei erzeugten Biradikale weiterzuleiten. Als Zielsubstrat warteten am Ende des Röhrchens ebenfalls mit Jod passivierte Silber- bzw. Goldoberfläche. „Im Rastertunnelmikroskop haben wir dann zunächst ganz regelmäßige Strukturen von stäbchenförmigen Einheiten auf der Jodschicht gesehen, die sich ohne weitere chemische Aktivierung zu längeren molekularen Drähten wachsen ließen. Dadurch konnten wir die Erzeugung und Abscheidung von Radikalen belegen“, sagt Markus Lackinger.

Nach den erfolgreichen Experimenten mit DITP versucht das Team aktuell, die Methode auch auf andere Ausgangssubstanzen anzuwenden, um sogenannte 2-D-Polymere auf inerten (nicht-reaktiven) Oberflächen herzustellen. „Die hätten dann maßgeschneiderte Andockstellen für bestimmte Moleküle oder atomar definierte Poren und könnten zum Beispiel in einem Sensor oder als Molekularsieb eingesetzt werden“, so Lackinger.

Zugleich tüftelt der Nanoforscher an der Verbesserung der RAQ: „Im Moment versuche ich ein Quarzglasröhrchen innen mit Gold zu beschichten, weil man da Beschädigungen oder eine Alterung der Goldschicht direkt mit bloßem Auge erkennen kann.“ Dass die Wissenschaftler hier in den Laboren auch als Ingenieure arbeiten und eigene Instrumente bauen, ist eine kleine Besonderheit der Arbeitsgruppe, die zum Oskar von Miller-Lehrstuhl der Technischen Universität München gehört. Eine weitere Besonderheit ist natürlich der Standort des Labors für Nanowissenschaften auf der Münchner Museumsinsel, „denn das Deutsche Museum ist ja ein Forschungsmuseum!“

Autor/in

Sabine Pelgjer

Hat nach dem Studium der Kunstgeschichte bei verschiedenen Tageszeitungen gearbeitet, zuletzt als Chefin vom Dienst bei der Münchner tz.

Ihr Tipp für einen Besuch im Deutschen Museum: Mit Spaß rechnen! Auch wenn man an Mathematik aus Schulzeiten vielleicht nicht die besten Erinnerungen hat – in unserer Ausstellung findet jeder schnell einen Draht zur „Kunst des Lernens“, wofür der Begriff aus dem Altgriechischen steht. Mit vielen Spielen, wunderschönen Instrumenten und Modellen oder faszinierenden optischen Täuschungen werden Dimension, Perspektive und Symmetrie leicht begreifbar.