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Forschungsarbeit

Wenn Moleküle einen Reifenabdruck hinterlassen. Ein vereinfachtes Modell der molekularen Wechselwirkungen

Von Carsten Rohr (24.03.2010)

Manche Moleküle können sich auf Oberflächen in spezifischen Mustern selbst anordnen. Diese Selbstorganisation spielt bei technischen Anwendungen eine Rolle, die auf funktionellen Oberflächenstrukturen beruht. Bislang konnten diese Prozesse aber kaum gesteuert oder vorhergesagt werden. Einem Team unter der Leitung der Physikerin Dr. Bianca Hermann vom "Center for NanoScience" (CeNS) der LMU München gelang hier nun ein Durchbruch. Carsten Rohr aus dem Internationalen Doktorandenkolleg NanoBioTechnology und Mitglied der Forschergruppe berichtet darüber.

Wenn die Natur ihr eigener Ingenieur ist, ordnen sich Moleküle selbst zu komplexen Strukturen an – als Voraussetzung für die Bildung von Membranen, Zellen und anderen molekularen Systemen. Dieses ressourcenschonende Konzept liefert aber auch in der molekularen Elektronik, Sensorik, Katalyse und Photovoltaik funktionale Oberflächenstrukturen. Bei deren Herstellung werden die molekularen Komponenten auf ein Trägermaterial, das Substrat, aufgebracht und finden dann selbst ihren Platz im angestrebten molekularen Netzwerk. Je nach Anwendung zeigen die Bausteine spezifische elektronische, katalytische, sensorische oder photovoltaische Eigenschaften. Die Optimierung dieser hochfunktionellen Molekülschichten hängt aber noch von "trial and error" ab und ist deshalb anspruchsvoll und zeitaufwendig.

Um die molekulare Selbstorganisation zu optimieren, gelang nun die Entwicklung eines vereinfachten Modellkonzeptes der molekularen Wechselwirkungen. Dieser Ansatz beruht auf statistischer Physik in einer sogenannten Monte-Carlo-Methodik und detaillierten Molekularmechanik Simulationen zusammen mit hochaufgelösten rastertunnelmikroskopischen Aufnahmen. In diesem theoretischen Modell wurden Hunderte von Molekülen am Computer zufällig ausgerichtet, um einen Anfangszustand zu simulieren. Diese schematischen Molekülkörper werden dann – in der Berechnung – abgekühlt, um Muster zu bilden.

In der Natur ordnen sich Moleküle selbst zu komplexen Strukturen an.[Bildunterschrift / Subline]: In der Natur ordnen sich Moleküle selbst zu komplexen Strukturen an – als Voraussetzung für die Bildung von Membranen, Zellen und anderen molekularen Systemen.

So kann eine überraschend große Vielzahl an Mustern aus sehr einfachen Bausteinen erzeugt werden, die in hoher Übereinstimmung auch bei den Experimenten mit dem Rastertunnelmikroskop gefunden werden. Nach der Thermodynamik der Physik streben alle Systeme danach, den energetisch günstigsten Zustand einzunehmen. Experimentell wurde gezeigt, dass sich die molekularen Muster ineinander umwandeln – bis am Ende überwiegend nur eine Art "Reifenspurmuster" vorliegt. Dessen günstige energetische Bilanz wurde ebenfalls richtig mit dem "Monte-Carlo-Ansatz" vorhergesagt.

Dank des vereinfachten Modells der molekularen Wechselwirkungen, kann nun gezeigt werden, dass sehr elementare geometrische Eigenschaften der Moleküle diese Vielzahl an Mustern codieren. Der Ansatz soll nun auch auf andere Substrate, also Oberflächen anderer Symmetrie, ausgedehnt werden. Bereits jetzt aber ist das Modell ein wichtiges theoretisches Werkzeug, weil es funktionale Oberflächenstrukturen vorhersagen hilft. Damit können die Moleküle schon während der Synthese optimiert werden, um die gewünschten Eigenschaften zu zeigen.


Stationen
  • seit 2007
  • Doktorand in der Gruppe von Dr. Bianca Hermann, Walther-Meissner-Institut
  • 2001 - 2007
  • Diploma in Physik an der LMU München. Thema der Diplomarbeit: "Supra- und Biomolecular Self-organization and Phasentransformation on HOPG – imaged by Scanning Probe Microscopy"

Stipendien
  • seit 2009
  • Mitglied im Internationalen Doktorandenkolleg NanoBioTechnology
  • 2008
  • Stipendium der Studienstiftung des Deutschen Volkes
  • 2006
  • Stipendium der Przemysler-Przemyslav Stiftung

Veröffentlichungen
  • C. Rohr, J.M. Büttner, F.A. Palitschka, N.D. Kushch, M.V. Kartsovnik, W. Biberacher, R. Gross und B.A. Hermann: "Organic Superconductors Revisited". Eur. Phys. J. B. 2009, 69, 167-171 (2009).