Forscher stellen Polymere aus Ballbot her

28. August 2023

Dieser Artikel wurde gemäß dem Redaktionsprozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Redakteure haben die folgenden Attribute hervorgehoben und gleichzeitig die Glaubwürdigkeit des Inhalts sichergestellt:

faktengeprüft

peer-reviewte Veröffentlichung

vertrauenswürdige Quelle

Korrekturlesen

von der Universität Münster

N-heterocyclische Carbene (NHCs) sind kleine, reaktive Ringmoleküle, die sich gut an metallische Oberflächen binden und in den letzten Jahren großes Interesse auf dem Gebiet der stabilen chemischen Modifikation metallischer Oberflächen hervorgerufen haben. Eine vor einigen Jahren an der Universität Münster entdeckte Eigenschaft ist die Fähigkeit bestimmter NHC-Derivate, sich nicht nur an einzelnen Metallatomen zu verankern, sondern auch ein einzelnes Atom vollständig von der Oberfläche zu lösen. Nachdem sie sich mit diesen sogenannten Adatomen verbunden haben, gleiten die NHCs frei über die Oberfläche – wie ein Ballbot, also ein Roboter, der sich auf einer Kugel bewegt.

Mithilfe solcher „Ballbot-Moleküle“ ist es den Münsteraner Physikern und Chemikern gemeinsam mit chinesischen Forschern erstmals gelungen, dass die halogenierten NHCs auf metallischen Oberflächen langkettige mobile Polymere – Molekülketten – produzieren. Details zur Arbeit wurden in der Fachzeitschrift Nature Chemistry veröffentlicht.

Die Mobilität der NHCs vom Ballbot-Typ eröffnet neue Möglichkeiten, beispielsweise die Selbstorganisation zu hochgeordneten Domänen aus diesem Molekültyp bis hin zu kooperativem, schwarmartigem Verhalten der NHCs bei der autonomen Umwandlung bestimmter metallischer Oberflächen in a unterschiedliche hochgeordnete Struktur ohne äußeren Einfluss wie Licht oder Elektronen.

„Über die Selbstorganisation hinaus sind diese Ballbot-Polymere vielversprechend für neue Anwendungen in der Nanoelektronik, Oberflächenfunktionalisierung und Katalyse“, sagt Prof. Harald Fuchs, Seniorprofessor am Institut für Physik der Universität Münster und wissenschaftlicher Leiter des Zentrums für Nanotechnologie ( CeNTech) in Münster.

NHCs können in den Stickstoffgruppen (N) des fünffachen heterozyklischen Körpers der Moleküle leicht modifiziert werden. Dadurch lässt sich nicht nur die elektronische Wechselwirkung zwischen den Carbenen und den Atomen einer metallischen Oberfläche – beispielsweise Gold – beeinflussen, sondern auch die Ausrichtung der Carbene vertikal oder parallel zu einer Oberfläche steuern.

Eine Besonderheit der verwendeten halogenierten NHCs, die am Institut für Organische Chemie der Universität Münster entwickelt wurden, ist ihre Fähigkeit zur spontanen Bildung von Adatomen an Edelmetallen und die dadurch entstehende Mobilität. Dies ist Voraussetzung für ihr Zusammenkommen und für die Reaktion mit anderen reaktiven Systemen auf der Oberfläche.

„Ein entscheidender Faktor für den Erfolg der Experimente war das Gleichgewicht zwischen der chemischen Reaktivität der Monomerstruktureinheiten und ihrer Mobilität“, sagt Erstautor Prof. Jindong Ren, früher Postdoktorand in der Gruppe von Prof. Harald Fuchs und jetzt Hauptforscher (PI) und Gruppenleiter am National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) von China.

Einerseits können sich die Monomere aufgrund ihrer Ballbot-Eigenschaft leicht auf der Oberfläche bewegen; Andererseits muss die Kontaktzeit, die den Reaktionspartnern zur Verfügung steht, ausreichend lang sein, damit die Reaktion stattfinden kann. Dies geschieht vor allem durch die molekulare Struktur und eine geeignete Temperatureinstellung während des Experiments.

Die Kontrolle der chemischen Reaktionen und der Nachweis der gewünschten Reaktionsprodukte im Bereich der Präzisionschemie für Oberflächen erfordert hochspezialisierte präparative und analytische Experimente, die es ermöglichen, molekulare Wechselwirkungen auf Oberflächen und einzelne Reaktionsschritte auf submolekularer Ebene zu beobachten.

Zu diesem Zweck verwendeten die Forscher am CeNTech, NCNST und am Beijing National Center for Condensed Matter Physics and Institute of Physics Methoden der Rastersondenmikroskopie (STM und nc-AFM) sowie Photoemissionsspektroskopie, um die stattfindende chemische Bindung aufzuklären um Beweise für die Ballbot-Strukturen zu liefern.

Ergänzt wurden die experimentellen Ergebnisse durch aufwendige Computersimulationen am Institut für Festkörpertheorie der Universität Münster, die auf quantenmechanischen Ansätzen und reaktiven Kraftfeldern basieren. Auf diese Weise bestätigte das Team die experimentellen Ergebnisse und quantifizierte die elektronischen und strukturellen Eigenschaften der Ballbot-Polymere.

Die Präzisionschemie an Oberflächen hat sich inzwischen zu einem eigenständigen Bereich der Chemie entwickelt. Anders als in der traditionellen Chemie im Reagenzglas oder in der Gasphase erfordert dieser spezielle Zweig der Chemie Ultrahochvakuumbedingungen und häufig Temperaturen von bis zu minus 268 Grad Celsius, um unbeabsichtigte Kontaminationen zu vermeiden und dies zu ermöglichen Beobachtung chemischer (Zwischen-)Schritte auf molekularer Ebene.

Feste Oberflächen – meist kristallin – dienen als Plattform (Substrat) für die Reaktion und können die Reaktion auch katalytisch unterstützen. Nanostrukturierte Oberflächen, wie sie in den oben beschriebenen Arbeiten zum Einsatz kommen, ermöglichen es, nicht nur die Ausrichtung, sondern auch eine gezielte geometrische Anordnung der Reaktionsprodukte bzw. der resultierenden Polymere zu steuern.

Mehr Informationen: Jindong Ren et al., On-Surface-Synthese von N-heterocyclischen Carbenpolymeren vom Ballbot-Typ, Nature Chemistry (2023). DOI: 10.1038/s41557-023-01310-1

Zeitschrifteninformationen:Naturchemie

Bereitgestellt von der Universität Münster