Juni 14, 2021

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Neues Licht zur Herstellung zweidimensionaler Polymere

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Ein internationales Forscherteam unter der Leitung von Mitgliedern der Technischen Universität München, des Deutschen Museums in München und der Schwedischen Universität Linköping hat eine Methode entwickelt, um zweidimensionale Polymere so dick wie ein einzelnes Molekül zu machen. Polymere werden auf einer Oberfläche durch Einwirkung von Licht gebildet. Die Entdeckung ebnet den Weg für neue ultradünne und funktionelle Materialien.

Die Suche nach neuen zweidimensionalen Materialien intensivierte sich schnell nach der Entdeckung von Graphen – einem Supermaterial, das zu seinen hervorragenden Eigenschaften gehört, darunter hohe Leitfähigkeit und Festigkeit, was es unglaublich vielseitig macht.

Zwei Hauptansätze werden verwendet, um ultrafeine Materialien herzustellen. Im ersten Fall wird eine durchgehende Schicht von Molekülen oder Atomen von der Masse des Materials „abgelöst“. Graphen ist ein Beispiel für ein solches Material.

Der andere Ansatz hingegen besteht darin, das Material Molekül für Molekül aufzubauen, indem auf verschiedene Weise Bindungen zwischen Molekülen hergestellt werden. Das Problem ist, dass die Materialien oft klein und spröde sind und viele Fehler enthalten. Dies schränkt die möglichen Anwendungsgebiete ein.

Selbstorganisation und Lichthärtung ergeben ein neues 2D-Material

Ein internationales Forscherteam, unter anderem aus Mitgliedern der Technischen Universität München, des Deutschen Museums und der Universität Linköping, hat nun eine neue Methode zur Herstellung zweidimensionaler Polymere entwickelt. Die Entdeckung ermöglicht die Entwicklung neuer funktioneller ultrafeiner Materialien mit regelmäßigen und hochdefinierten Kristallstrukturen.

Die Herstellung bzw. Polymerisation des Materials erfolgt in zwei Stufen. Forscher verwenden ein Molekül, das als “Fantrip” bekannt ist. “Fantrip” ist eine Kontraktion von “fluoriertem Anthracen-Triptycen”. Dieses Molekül ist eine Fusion von zwei verschiedenen Kohlenwasserstoffen – Anthracen und Triptycen. Die spezifischen Eigenschaften von Fantrip bewirken, dass sich Moleküle spontan zu einem Muster organisieren, wenn sie auf einer mit einem Alkan bedeckten Graphitoberfläche platziert werden. Dieser Vorgang wird als „Selbstorganisation“ bezeichnet.

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Der nächste Schritt ist die Lichthärtung selbst, wenn das Muster mit Hilfe von Licht fixiert werden soll. Die Moleküle werden von einem violetten Laser beleuchtet, der Elektronen aus der äußersten Elektronenhülle anregt. Dies verursacht die Bildung starker und dauerhafter kovalenter Bindungen zwischen Molekülen.

Das Ergebnis ist ein poröses zweidimensionales Polymer mit einer Dicke von einem halben Nanometer, das aus mehreren hunderttausend identisch verknüpften Molekülen besteht, also ein Material von nahezu perfekter Ordnung bis auf atomarer Ebene.

Die Simulationen bestätigen die zugewiesenen Strukturen

Da die Lichthärtung auf einer festen Graphitoberfläche erfolgt, ist es möglich, den Prozess auf molekularer Ebene mittels Tunnelmikroskopie zu verfolgen. Dies zeigt die neu gebildeten Links in einem persistenten Netzwerk. Um die Strukturzuordnung zu bestätigen, simulierte die Forschungsgruppe um Jonas Björk das Auftreten molekularer Netzwerke in verschiedenen Reaktionsstadien unter dem Mikroskop.

Jonas Björk ist Assistant Professor in der Materials Design Division des Department of Physics, Chemistry and Biology an der Universität Linköping. Er nutzte Hochleistungsrechenressourcen im National Supercomputer Center in Linköping, um die Experimente zu validieren und die Schlüsselfaktoren zu verstehen, die die Methode erfolgreich machen.

„Wir sehen, dass die Simulationen bis ins kleinste Detail der Realität entsprechen, und wir können auch verstehen, warum unser spezifisches System so nützliche Ergebnisse liefert. Im nächsten Forschungsschritt soll geprüft werden, ob sich mit der Methode auch andere Moleküle binden lassen. für neue flächige und funktionelle Materialien. Durch die Verbesserung des Verfahrens werden wir auch die Art der ultrafeinen Materialien, die wir herstellen wollen, kontrollieren und anpassen können“, sagt Jonas Björk.

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Fixierung selbstorganisierter Moleküle mit Licht

„Die Herstellung kovalenter Bindungen zwischen Molekülen erfordert viel Energie. Die gebräuchlichste Art, Energie bereitzustellen, besteht darin, die Temperatur zu erhöhen, aber dies führt auch dazu, dass Moleküle starten. Mit selbstorganisierenden Molekülen wird es also nicht funktionieren, denn das Motiv Mit Licht kovalente Bindungen herstellen erhält das Motiv und bindet es genau so, wie wir es wollen“, sagt Markus Lackinger, Forschungsgruppenleiter am Deutschen Museum und der TU München.

Die Polymerisation erfolgt unter Vakuum, wodurch sichergestellt wird, dass das Material nicht verunreinigt wird. Der fertige zweidimensionale Polymerfilm ist jedoch auch unter atmosphärischen Bedingungen stabil, was für zukünftige Anwendungen von Vorteil ist. Markus Lackinger glaubt, dass das Material viele denkbare Anwendungen finden wird.

“Die naheliegendste Anwendung ist, das Material als Filter oder Membran zu verwenden, aber es können auch Anwendungen, von denen wir noch keine Ahnung haben, in ganz anderen Zusammenhängen am Horizont erscheinen, auch zufällig. Warum Grundlagenforschung so spannend ist”, sagt Markus Lackinger .

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Die Forschung wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) über das Stipendium LA 1842 / 9-1 und dem Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM) sowie vom Schwedischen Forschungsrat und der Strategischen Forschungszone der schwedischen Regierung in Materialwissenschaften über die Funktionsweise finanziert für Materialien an der Universität Linköping. Die Berechnungen wurden am National Supercomputer Center der Universität Linköping durchgeführt. Weitere Projektpartner waren die University of Nevada (Reno, USA) sowie die Physical Electronics GmbH und die neaspec GmbH (beide in Deutschland).

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