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EU-Wissenschaftler entdecken sich selbst organisierende Nanostrukturen mit großem Potenzial

Eine von der EU finanzierte Forschergruppe aus Deutschland hat stabförmige Moleküle in einem zweidimensionalen (2D) Netzwerk eingeschlossen und so kleine Rotoren geschaffen, die sich in ihren honigwabenartigen Käfigen drehen. Ihre Entdeckung ist ein Ergebnis des MOLART-Projekt...

Eine von der EU finanzierte Forschergruppe aus Deutschland hat stabförmige Moleküle in einem zweidimensionalen (2D) Netzwerk eingeschlossen und so kleine Rotoren geschaffen, die sich in ihren honigwabenartigen Käfigen drehen. Ihre Entdeckung ist ein Ergebnis des MOLART-Projekts ("Surface-confined metallosupramolecular architecture: towards a novel coordination chemistry for the design of functional nanosystems"), das über eine Beihilfe des Europäischen Forschungsrats (ERC) für etablierte Forscher 2,57 Mio. EUR aus dem Siebten EU-Rahmenprogramm (RP7) erhalten hat. Beschrieben wurde die Forschungsarbeit in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Die Forscher um Professor Johannes Barth von der Technischen Universität München (TUM), Deutschland, erklärten, dass Proteine dabei helfen, die Reaktionspartner zusammenzuführen. "Das Einfangen von Molekülarten in Nano-Umgebungen führt zu einem faszinierenden dynamischen Phänomen", heißt es in dem Artikel. Den Forschern zufolge "treffen" Oberflächenreaktionspartner auf der Oberfläche von Katalysatoren zusammen. Noch ist es zu früh, um Selbstorganisationseffekte so nutzen zu können, dass sich Nanomaschinen ganz von alleine zusammenbauen, die Forschungen der Wissenschaftler von der TUM bedeuten aber einen Schritt in die richtige Richtung. Zunächst bauten die Physiker ein Nanonetzwerk auf, indem sie Kobaltatome und ein stäbchenförmiges Molekül namens Sexiphenyl-Dicarbonitril auf einer Silberoberfläche miteinander reagieren ließen. Dabei entstand ein riesiges honigwabenartiges Netzwerk, das nicht nur konsistent sondern auch stabil ist. Dieses Netzwerk ist nur eine Atomlage dick. Ihre Entdeckung erinnert an einen weiteren, kürzlich von EU-finanzierten Forschern erreichten Durchbruch zu 2D-Graphemen, der sogar mit einem Nobelpreis belohnt wurde. "Hervorzuheben ist, dass die Organisation und Rotationsbewegungen einzelner Moleküle durch sorgfältig gestaltete, voll supramolekulare Umgebungsarchitekturen gesteuert wurden." Das Team verwendete ein offenes zweidimensionales Koordinierungsnetzwerk auf einer glatten Metalloberfläche, um die Selbstorganisation von nicht-atomgebundenen Rotoren (trimere Gasteinheiten) zu steuern. "Jedes eingefangene chirale Supramolekül führt abgestimmte, Chiralität erhaltende Drehbewegungen innerhalb der Wabenpore aus, die mithilfe von temperaturgesteuerter Rastertunnelmikroskopie sichtbar gemacht und quantitativ analysiert werden", so die Forscher. Als die Forscher weitere Stäbchenmoleküle zugaben, sammelten sich plötzlich spontan meist drei Stäbchen in einer Wabe, während benachbarte Waben leer blieben. Aber warum ausgerechnet zu dritt? Die Wissenschaftler der TUM entdeckten, dass sich die Moleküle in Dreiergruppen so anordneten, dass die drei Stickstoffenden gegenüber einem Wasserstoff-Atom platziert waren. Dem Team zufolge ermöglicht es "diese Anordnung in Form eines dreiflügeligen Rotors" den Molekülen, unabhängig von der für die Rotation erforderlichen Energie zusammenzubleiben. Aufgrund der Wechselwirkungen der äußeren Stickstoffatome mit den Atomen der Käfigwand gibt es für die Rotoren zwei verschiedene Positionen. Darüber hinaus können die drei Moleküle rechtsdrehend und linksdrehend angeordnet sein. Durch Versuche mit verschiedenen Temperaturen konnten die Forscher alle vier Zustände "einfrieren" und genau untersuchen. Aus der Temperatur, bei der die Rotation beim Aufwärmen wieder einsetzte, konnten sie die Energieschwelle für eine Drehung der Nanorotoren berechnen. "In der Zukunft hoffen wir, diese einfachen mechanischen Modelle auf optisches oder elektronisches Schalten ausdehnen zu können", erklärt Professor Barth. "Wir können die Käfiggröße gezielt festlegen oder auch gezielt weitere Moleküle einbringen und deren Wechselwirkungen mit der Oberfläche und der Käfigwand studieren. Diese sich selbst organisierenden, dynamischen Nanosysteme haben ein enormes Potenzial." Auch Forscher von der Universität Straßburg in Frankreich trugen zu dieser Arbeit bei.

Länder

Deutschland, Frankreich

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