In vielen technologisch relevanten Bereichen, wie zum Beispiel der Sensorik und der Batterie­forschung, spielt die Ober­fläche von Metallen eine entscheidende Rolle: Die atomare Struktur der Ober­fläche bestimmt, ob und wie Moleküle mitein­ander reagieren. Zugleich beeinflusst die Ober­flächen­struktur eines Metalls seine elektro­nischen Eigen­schaften. Das ist wichtig für die Effizienz von elektro­nischen Bauteilen in Batterien. Weltweit arbeiten Wissen­schaftler intensiv an der Entwicklung neuartiger Verfahren, um die Struktur von Metall­ober­flächen gezielt auf atomarer Ebene zu modi­fi­zieren.

Ein Team von Physikern und Chemikern um Saeed Amirjalayer von der Uni Münster hat jetzt ein mole­ku­lares Werkzeug entwickelt, das es auf atomarer Ebene ermöglicht, gezielt die Struktur einer Metall­ober­fläche zu verändern. Mit Hilfe von Computer­simulationen konnte vorher­gesagt werden, dass diese Umstruktu­rierung der Ober­fläche durch einzelne Moleküle – N-hetero­zyklische Carbene – ähnlich wie bei einem Reiß­verschluss erfolgt. Dabei arbeiten mindestens zwei Carben-Moleküle mitein­ander, um die Struktur der Ober­fläche Atom für Atom umzu­sortieren. Die Wissen­schaftler wiesen diese Funktions­weise, bei der die Carben-Moleküle zwei Atom­reihen auf einer Gold­ober­fläche zu einer Reihe zusammen­führen, auch experi­mentell nach.

In früheren Arbeiten hatte das Team bereits gezeigt, dass die Carben-Moleküle stabil sind und sich gut auf Gold-Ober­flächen bewegen. Jedoch konnte bisher keine gezielte Veränderung von Metall­ober­flächen durch die Moleküle nach­ge­wiesen werden. In ihrer aktuellen Studie wiesen die Forscher erstmals nach, dass durch die Zusammen­arbeit der Carben-Moleküle die Struktur der Ober­flächen präzise modi­fi­ziert wird. „Für die weit­reichende Änderung der Ober­flächen­struktur, verhalten sich die Carben-Moleküle wie ein molekularer Schwarm: Sie arbeiten als Gruppe zusammen. Basierend auf dem reiß­verschluss­artigen Prinzip werden die Ober­flächen­atome gezielt umsortiert und nach Abschluss der Umbau­arbeiten können die Moleküle von der Ober­fläche entfernt werden“, erläutert Amirjalayer.

Das neue Verfahren ermöglicht, neue Materialien mit gezielten Eigen­schaften zu entwickeln – ohne makro­sko­pische Werkzeuge. „In der industri­ellen Anwendung werden häufig makro­skopische Werkzeuge, wie beispiels­weise Pressen oder Walzen, verwendet. In der Biologie über­nehmen dagegen diese Aufgaben meist bestimmte Moleküle oder Molekül­klassen. Unsere Arbeit zeigt eine viel­ver­sprechende künst­liche beziehungs­weise synthetisch herge­stellte Molekül­klasse, die einen ähnlichen Ansatz verwendet, um die Ober­fläche zu modi­fi­zieren“, sagt Amirjalayer. Das Forscher­team hofft, dass das Verfahren zukünftig genutzt wird, um neuartige Elektroden zu entwickeln oder chemische Reaktionen an Ober­flächen zu optimieren.

WWU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  S. Amirjalayer et al.: Kooperative Zusammenarbeit von N-heterocyclischen Carbenen auf einer Goldoberfläche, Ang. Ch. 102, 2 (2020); DOI: 10.1002/ange.202010634
• Stimuli-Responsive Nanomaterials Group (S. Amirjalayer), Physikalisches Institut, Westfälische Wilhelms-Universität Münster