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News: Eine Schicht Nano-Lego

Vor allem im Größenbereich von Atomen und Molekülen müssen die Nanotechnologen auf Selbstorganisation setzen: Die Teilchen müssen sich selbstständig arrangieren. Jetzt haben die Forscher schon einmal eine Art Grundplatte entwickelt, auf der dies vonstatten gehen soll.
Langsam füllt sich der Nano-Baukasten: Stäbchen, Kugeln, Klumpen und ausgedehnte Netze warten geduldig darauf, dass Wissenschaftler sie zu Funktionseinheiten zusammenstellen. Nur ist diese Aufgabe wegen der winzigen Dimensionen leider äußerst kniffelig. Zwar kann man mit atomaren Kraftmikroskopen einzelne Atome oder Moleküle auf einer Oberfläche verschieben und gezielt positionieren, doch bleiben die so erstellten Konstruktionen wegen des enormen Produktionsaufwandes stets unbezahlbare Einelstücke. Gesucht ist ein Verfahren, das reproduzierbare Ergebnisse liefert und weitgehend automatisch abläuft. Gewissermaßen eine Handvoll Lego-Steine, die selbsttätig zum Modell wird.

Eine Gruppe von Chemikern um Peter Beton von der University of Nottingham hat die Wissenschaft diesem Ziel einen Schritt näher gebracht. Ihnen ist es gelungen, eine Silber-beschichtete Siliziumfläche mit einem regelmäßigen Wabenmuster zu überziehen, das als Grundplatte für andere Moleküle dient. Als Grundbausteine benutzen die Forscher Perylentetracarboxyldiimid (PTCDI), eine Substanz, die im wesentlichen die Form eines flachen Rechtecks hat und an dessen schmalen Enden polare Gruppen sitzen. Über diese bildet das PTCDI Wasserstoffbrücken zu dem dreieckigen Melamin (1,3,5-Triazin-2,4,6-Triamin), das aufgrund seiner Dreiersymmetrie verzweigende Knotenpunkte darstellt.

In ihren Versuchen bedampften die Chemiker die Silber/Silizium-Platte im Hochvakuum mit dem PTCDI, welches sich in Ketten und Inseln absetzte. Anschließend gaben sie das Melamin zu. Da die thermische Energie ausreichte, um die beiden Wasserstoffbrücken zwischen zwei PTCDI-Molekülen aufzubrechen und die Teilchen über die Oberfläche diffundieren zu lassen, bildeten sich nach und nach von selbst stabilere Kontakte mit drei Wasserstoffbrücken zum Melamin. Es wuchs ein Gerüst aus sechseckigen Waben, deren Kanten aus PTCDI bestanden mit Winkeln aus Melamin. Unter dem Tunnelmikroskop waren schließlich regelmäßige Flächen mit etwa 100 Nanometern Kantenlänge zu erkennen.

Diese Grundplatte nutzten Beton und seine Kollegen anschließend, um Fullerene darauf abzulagern. Diese Fußball-förmigen Moleküle aus jeweils 60 Kohlenstoffatomen setzten sich in die Poren der Waben, in welche genau sieben Stück passten – sechs in einem Hexamer mit einem Fulleren in der Mitte. Waren die Waben einigermaßen gefüllt und kamen noch mehr Fullerene hinzu, bildete sich eine zweite Schicht, in welcher die Kohlenstoffkugeln das Muster der PTCDI-Melamin-Waben wiederholten. Dann war allerdings Schluss – für eine dritte Lage reichte die Stabilität nicht aus.

Eine gefüllte Grundplatte mit einer einzigen weiteren Schicht Bausteine mag sich für Lego-erfahrene Bastler recht bescheiden ausnehmen. Bedenkt man jedoch, wie beschränkt die Möglichkeiten sind, direkt in den Aufbau einzugreifen, haben die Nottinghamer Wissenschaftler einen vielversprechenden Weg eingeschlagen. Ihr System besteht aus unterschiedlichen Molekülen mit definierten Aufgaben – Festlegen der Kantenlänge beziehungsweise Einbauen von Verzweigungen – und bietet eine gewisse Flexibilität, wenn man die Eigenschaften der Teilchen verändert. Vielleicht weisen die Ergebnisse ja die Richtung für zukünftige Türme, Kräne und Brücken im Nanomaßstab.

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