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Naturinspirierte Materialien: Schlüssel zu künftiger Elektronik

Als Alternative zur programmierten Selbstorganisation von Molekülen können Forscher einzelne Atome platzieren und so Nanostrukturen mit maßgeschneiderten elektronischen Eigenschaften erzeugen.

Bioorganismen sind die komplexesten Maschinen, die wir kennen und in der Lage, anspruchsvolle Funktionen mit hoher Effizienz zu erfüllen. Eines ihrer wesentlichen Merkmale ist, dass alles Wichtige auf der Ebene einzelner Moleküle geschieht, also auf der Nanoskala. Die Funktionsweise dieser Biosysteme beruht auf der Selbstorganisation: Moleküle interagieren präzise und selektiv miteinander und bilden klar definierte Strukturen aus. Ein sehr bekanntes Beispiel für dieses Phänomen ist die Doppelhelixstruktur der DNS.

Jetzt hat eine Gruppe internationaler Wissenschaftler unter der Leitung von Monash-Physikern – inspiriert durch selbstorganisierte Biosysteme – ein ebenfalls selbstorganisiertes Nanomaterial auf Kohlenstoffbasis entwickelt, das der Schlüssel zu neuen Photovoltaik- und Katalysetechnologien sein könnte. Mithilfe der Selbstmontage konnten die Forscher eine neue eindimensionale Nanostruktur aus organischen Molekülen und Eisenatomen mit atomarer Präzision entwickeln.

„Die Herstellung von Nanomaterialien durch Positionierung einzelner Atome und Moleküle ist sehr mühsam, wenn nicht gar unmöglich“, sagt Dr. Agustin Schiffrin, leitender Dozent an der australischen Monash School of Physics and Astronomy und Chief Investigator beim ARC Centre of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies (Fleet). „Stattdessen können wir nunmehr atomar genaue Strukturen mittels Selbstorganisation schaffen, indem wir die richtigen Moleküle, Atome und Präparationsbedingungen auswählen. Das hat den Vorteil, dass kein Eingriff von außen erforderlich ist.“

Diese Fähigkeit zur Selbstorganisation entsteht durch die Verwendung kohlenstoffbasierter Moleküle als Aufbauelemente von Nanoeinheiten.

Form, Größe und interagierende Funktionsgruppen dieser organischen Moleküle lassen sich mithilfe der organisch-synthetischen Chemie nahezu unbegrenzt justieren. Die Kontrolle der Wechselwirkungen zwischen den Molekülen führt zur Bildung der gewünschten und gut definierten Nanostruktur, ähnlich wie bei den Wechselwirkungen zwischen Nukleinsäuren in der DNS die Doppelhelix entsteht.

„Wir können so Materialien mit einer sehr präzisen technischen Struktur bauen, was dazu führt, dass sie die gewünschten elektronischen Eigenschaften haben“, erklärt Monash-Doktorandin Marina Castelli. Und Research-Fellow Dr. Cornelius Krull kommentiert: „So wie die Funktionen von Bioorganismen von nanoskaligen Wechselwirkungen abhängen, so resultieren die physikalischen und elektronischen Eigenschaften dieser neuen Materialien aus ihrer Struktur auf Einzelmolekülebene.“

Herkömmliche Methoden der Materialnanofabrikation, wie die Lithografie, basieren auf Top-down-Ansätzen, bei denen die Werkstoffe mittels Entfernen von Materie strukturiert werden. Solche Methoden sind auf Auflösungen in der Größenordnung von bestenfalls 1 nm beschränkt.

Stattdessen können Bottom-up-Methoden Subnanometermuster erzeugen, mit dem Potenzial für bessere Kontrolle und Effizienz der elektronischen Eigenschaften. Nanomaterialien auf der Basis von metallorganischen Molekülkomplexen versprechen zahlreiche nützliche Funktionen, sowohl technologisch als auch biologisch, von der Katalyse über die Photovoltaik bis zur Gassensorik.

Augustin Schiffrin et al.: Designing Optoelectronic Properties by On-Surface Synthesis: Formation and Electronic Structure of an Iron-Terpyridine Macromolecular Complex; ACS Nano 2018, 12 (7), 6545-6553

Cornelius Krull et al.: Iron-based Trinuclear Metal-Organic Nanostructures on a Surface with Local Charge Accumulation; Nature Communications 9 (2018) 3211

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