Komplexe Parkettmuster – erstaunliche Materialien

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 23.01.2018

Einfache organische Moleküle bilden komplexe Materialien durch Selbstorganisation – Veröffentlichung in Nature Chemistry

Parkett kennt man aus dem Wohnzimmer. Aber auch Materialien können eine mikrostrukturierte Parkettierung aufweisen. Diese können etwa für außergewöhnliche elektrische Leitfähigkeit, spezielle Lichtreflektion oder extreme mechanische Belastbarkeit sorgen. Solche Strukturen gezielt zu erzeugen, bedarf großer molekularer Bausteine, die meist nicht mit den konventionellen Herstellungsprozessen kompatibel sind. Im Fachmagazin Nature Chemistry erklären Forscher des KIT und der TUM nun, wie Moleküle selbstorganisiert ein komplexes Parkettmuster bilden.

Das Team des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Technischen Universität München (TUM) hat einen Reaktionsweg entdeckt, der aus einfachen zweidimensionalen Netzwerken exotische Schichten mit halbregulärer Struktur erzeugt. Solche Materialien sind interessant, weil sie häufig außerordentliche Eigenschaften besitzen. Bei dem Verfahren verbinden sich einfachere organische Moleküle zu größeren Bausteinen, die komplexe, halbreguläre Muster erzeugen.

Um eine Fläche mit gleichförmigen Kacheln lückenlos zu pflastern, kommen nur wenige geometrische Grundformen in Frage: Dreiecke, Vierecke und Sechsecke. Mit zwei oder mehr Kachelformen lassen sich wesentlich mehr und deutlich komplexere Muster erzeugen, die immer noch regelmäßig sind, die sogenannten Archimedischen Parkettierungen.

Auch Materialien können eine solche Parkettierung aufweisen und weisen dann häufig ganz besondere und erstrebenswerte Eigenschaften auf, zum Beispiel außergewöhnliche elektrische Leitfähigkeit, spezielle Lichtreflektion oder extreme mechanische Belastbarkeit. Doch es ist schwierig, solche Strukturen gezielt zu erzeugen. Dafür sind große molekulare Bausteine nötig, die nicht mit den konventionellen Herstellungsprozessen kompatibel sind.

Komplexes Parkettmuster durch Selbstorganisation

Bei einer Klasse supramolekularer Netzwerke ist nun einem internationalen Team um die Professoren Florian Klappenberger und Johannes Barth vom Lehrstuhl für Experimentalphysik an der TUM sowie Professor Mario Ruben vom Karlsruher Institut für Technologie ein Durchbruch gelungen: Sie brachten organische Moleküle dazu, sich zu größeren Bausteinen zu verbinden, die selbstorganisiert ein komplexes Parkettmuster bilden.

Als Ausgangsverbindung nutzten sie Ethynyl-Iodophenanthren, ein handliches organisches Molekül aus drei aneinandergekoppelten Kohlenstoffringen, das ein Iod- und ein Alkin-Ende besitzt. Auf einem Silbersubstrat bildet dieses Molekül zunächst ein regelmäßiges Netz mit großen sechseckigen Maschen. Eine Wärmebehandlung setzt dann eine Abfolge chemischer Prozesse in Gang, die einen neuartigen, deutlich größeren Baustein erzeugen, der dann quasi automatisch und selbstorganisiert eine komplexe Schicht mit kleinen sechs-, vier- und dreieckigen Poren bildet. Dieses Muster wird in der Sprache der Geometrie als semireguläre 3.4.6.4 Parkettierung bezeichnet.

Die Arbeitsgruppe von Mario Ruben am Institut für Nanotechnologie des KIT war im Projekt für die maßgeschneiderte, zielgerichtete Synthese und Charakterisierung von mehrkernigen Molekülkomplexen verantwortlich, die als Bausteine des Parketts dienen. „Wir haben einen völlig neuen Weg entdeckt, um komplexe Materialien aus einfachen organischen Bausteinen herzustellen“, fassen Klappenberger und Ruben zusammen. „Das ist wichtig, um Materialien mit neuen und extremen Eigenschaften gezielt synthetisieren zu können. Außerdem tragen diese Ergebnisse dazu bei, ein spontanes Auftauchen – der Emergenz – von Komplexität in chemischen und biologischen Systemen besser zu verstehen.“

Die an der TUM durchgeführten Rastertunnelmikroskopie-Messungen zeigen deutlich, dass am Molekülumbau viele Reaktionen beteiligt sind, was normalerweise zu zahlreichen Abfallprodukten führt. Im neuen Prozess werden Abfallprodukte wiederverwendet, so dass der Gesamtprozess in einer hohen Atomökonomie zum gewünschten Endprodukt führt. Wie es dazu kommt, fanden die Forscher durch weitere Experimente heraus.

Mit Hilfe röntgenspektroskopischer Messungen am Elektronenspeicherring BESSY II des Helmholtz-Zentrums Berlin konnte entschlüsselt werden, wie sich Iod vom Ausgangsstoff abspaltet, Wasserstoffatome zu neuen Plätzen wandern und die Alkin-Gruppen ein Silber-Atom einfangen. Mit Hilfe des Silber-Atoms binden sich in der Folge zwei Ausgangsbausteine zu einem neuen, größeren Baustein aneinander. Die neuen Bausteine bilden anschließend die beobachtete komplexe Porenstruktur.

Die Arbeiten wurden gefördert mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (im Rahmen des Exzellenzclusters Munich-Centre for Advanced Photonics sowie des Schwerpunktprogramms SPP 1459, des Transregio TRR 88 3Met C5 und des DFG Projekts KL 2294/3) und des European Research Councils (ERC Advanced Grant MolArt). Die Synthese und Charakterisierung der Moleküle wurden in der Karlsruhe Nano Micro Facility durchgeführt. (aba/kes)

Publikation:
Yi-Qi Zhang, Mateusz Paszkiewicz, Ping Du, Liding Zhang, Tao Lin, Zhi Chen, Svetlana Klyatskaya, Mario Ruben, Ari P. Seitsonen, Johannes V. Barth, and Florian Klappenberger: Complex supramolecular interfacial tessellation through convergent multistep reaction of a dissymmetric simple organic precursor, Nature Chemistry 2017. DOI: 10.1038/nchem.2924

Externer Link: www.kit.edu

Mikroskopische Strukturen für rüttelsichere Stecker

Presseaussendung der TU Wien vom 14.11.2017

In einem österreichisch-deutschen Forschungsprojekt erzeugt man mit Lasertechnik mikroskopische Strukturen auf elektrischen Steckern um die Ausfallssicherheit zu erhöhen.

Über Wackelkontakte hat sich wohl jeder schon geärgert. Schlechte Steckverbindungen sind häufig die Ursache für ein Versagen elektronischer Geräte. Gerade in der Automobilindustrie, wo immer mehr Elektronik eingesetzt wird, spielt die Qualität von Steckkontakten eine wichtige Rolle – und hier kann die Materialwissenschaft helfen. Spezielle Strukturen auf Mikro- und Nanoskala, die sich mit Hilfe neuer Lasertechniken rasch und kostengünstig herstellen lassen, sollen nun für mehr Ausfallssicherheit sorgen.

Die Rumpelpiste zerstört den Steckkontakt

Seit Jahren wächst die Anzahl von Sensoren und Prozessoren, die in Autos verbaut werden, und dieser Trend wird sich durch den Siegeszug der Elektroautos wohl noch weiter fortsetzen. „Wenn man mit einem Auto über eine rumpelige Buckelpiste fährt, sodass das ganze Fahrzeug in Vibration versetzt wird, ist das eigentlich das Schlechteste, was den Steckkontakten passieren kann“, erklärt Prof. Carsten Gachot vom Institut für Konstruktionswissenschaften und Technische Logistik der TU Wien. Die Stecker beginnen auf winziger Skala ein kleines Stückchen hin und her zu wackeln, man spricht von „Fretting“. Diese minimalen Bewegungen genügen um für Verschleiß zu sorgen, der schließlich den Kontakt zum Versagen bringen kann.

Selbst wenn die Wahrscheinlichkeit für die Zerstörung eines einzelnen Steckkontaktes recht gering ist, ergibt sich durch ihre große Anzahl eine hohe Ausfallswahrscheinlichkeit: „In einem modernen Auto gehobener Kategorie sind mehrere Kilometer Kabel verbaut, mit tausenden Steckkontakten“, sagt Carsten Gachot. So ist es nicht überraschend, dass nach Angaben des deutschen Automobilclubs ADAC Elektronik-Ausfälle die Pannenursache Nummer eins sind.

Mikro- und Nanostrukturen für besseren Halt

Bekämpfen lässt sich das Problem mit neuen Erkenntnissen aus der Tribologie – der Wissenschaftsdisziplin, die sich mit Reibung und Verschleiß auseinandersetzt. „Das Problem ist, dass wir zwei schwer vereinbare Anforderungen gleichzeitig erfüllen müssen“, sagt Gachot. „Einerseits sollen die Kontakte halten und auch durch Vibrationen nicht gelockert werden, andererseits soll es möglich sein, mit relativ geringem Kraftaufwand die Stecker ein- und wieder auszustecken.“

Die Lösung ist, die Stecker mit einer feinen Struktur zu versehen. „Verschiedene Muster auf mikroskopischer Skala, die dem Material aufgeprägt werden, können das Reibe- und Verschleißverhalten drastisch beeinflussen“, sagt Gachot. „In Simulationsberechnungen und Experimenten untersuchen wir an der TU Wien, welche Strukturen das beste Ergebnis liefern.“

Mit Laserlicht eingebrannt

Um diese Strukturen rasch und kostengünstig herstellen zu können, arbeitet Carsten Gachot mit Forschungsgruppen der Universität des Saarlandes in Saarbrücken und von der TU Dresden zusammen. „Die entscheidende neue Idee ist, Laserlicht zur Herstellung der feinen Strukturen zu verwenden“, sagt Gachot. Man nützt dabei die Welleneigenschaften des Lichts: So wie sich in einem Teich komplizierte Wellenmuster ergeben, wenn man zwei Steine hineinwirft, lässt sich die Materialoberfläche mit einem komplizierten Wellenmuster beleuchten, wenn man einen Laserstrahl in zwei Teile aufspaltet und beide dann auf der Oberfläche überlagert. Das entstehende Lichtmuster verdampft das Material an bestimmten Stellen, an anderen Orten aber bleibt die Oberfläche unversehrt. So können, je nachdem, wie man die Strahlen miteinander überlagert, in kurzer Zeit unterschiedliche Mikro- und Nanostrukturen erzeugt werden.

„Mit bisherigen Methoden wäre es nicht wirtschaftlich gewesen, Steckkontakte mit solchen Strukturen zu versehen“, sagt Gachot. „Aber mit dieser Lasermethode kann man innerhalb von 40 Sekunden die Strukturierung für alle Steckkontakte eines ganzen Autos durchführen – für Zusatzkosten von 21 Cent pro Auto.“

Freilich ist die Entwicklung von Mikro- und Nanostrukturen für Steckverbindungen nicht nur für die Automobilindustrie interessant. Die neuen Erkenntnisse lassen sich auf eine Vielzahl technischer Bereiche anwenden – von Alltagsgeräten bis zu Flugzeugturbinen. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Eine Frage der Lage

Presseinformation der LMU München vom 13.11.2017

Wie LMU-Physiker zeigen, lassen sich die lichtemittierenden und photokatalytischen Eigenschaften winziger Kohlenstoff-Nanokügelchen durch exakte Positionierung von Stickstoffatomen präzise einstellen.

Kohlenstoffkügelchen mit Durchmessern von wenigen Nanometern – sogenannte C-Dots – besitzen ungewöhnliche optische Eigenschaften, die sie für eine Reihe von technologischen Anwendungen, von der solaren Energieumwandlung bis hin zur medizinischen Bildgebung, hochinteressant machen. Darüber hinaus haben C-Dots im Vergleich zu ähnlichen Materialien den Vorteil, dass sie stabil und einfach herzustellen sind und keine toxischen Schwermetalle enthalten. Ob bestimmte C-Dots die für die Bildgebung relevante Lichtemission zeigen oder eher die für die Energieumwandlung wichtigen photokatalytischen Eigenschaften besitzen, hängt von ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrer komplexen inneren Struktur ab. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind bisher allerdings schlecht verstanden. LMU-Physiker um Dr. Jacek Stolarczyk haben diese Zusammenhänge untersucht und zeigen, dass die Eigenschaften der C-Dots durch chemische Modifikationen auf einfache Weise beeinflusst werden können. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Nature Communications.

„Bisher wurden C-Dots typischerweise vor allem mithilfe des Trial-and-Error-Prinzips optimiert“, sagt Stolarczyk. „Um dies zu verbessern, ist ein genaueres Verständnis der Mechanismen essenziell, auf denen die optischen Eigenschaften der C-Dots beruhen.“ Die Wissenschaftler führten ihre Studie im Rahmen des interdisziplinären Projekts „Solar Technologies Go Hybrid“ (SolTEch) durch, das vom Freistaat Bayern großzügig gefördert wird. „Ziel von SolTech ist es, innovative Konzepte für die Umwandlung von Solarenergie insbesondere in nicht-fossile Brennstoffe zu erforschen – und zwar idealerweise mithilfe von reichlich vorhandenen und ungiftigen Materialien“, erklärt Professor Jochen Feldmann, der Leiter des SolTech-Projekts. C-Dots sind für derartige Anwendungen ideal geeignet.

Die Nanokügelchen bestehen aus verschiedenen polyzyklischen Kohlenwasserstoffverbindungen, deren komplexes Zusammenspiel ihre optischen Eigenschaften bestimmt. Für ihre Studie stellten die Wissenschaftler C-Dots her, indem sie ein Gemisch aus Zitronensäure und einem stickstoffhaltigen verzweigten Polymer mit Mikrowellen bestrahlten. Dabei variierten sie die Konzentration des Polymers, sodass unterschiedliche Mengen an Stickstoff in die Nanokügelchen eingebaut wurden. Insbesondere die Art, wie der Stickstoff eingebaut wurde, variierte je nachdem, wie viel Stickstoff zur Verfügung stand.

„Unsere Untersuchungen zeigten, dass die chemische Umgebung der eingebauten Stickstoffatome die Eigenschaften der C-Dots entscheidend beeinflusst“, sagt Dr. Santanu Bhattacharyya, der Erstautor der Veröffentlichung und Alexander-von-Humboldt Fellow am Lehrstuhl von Jochen Feldmann. Der Einbau in den inneren Bereichen graphenartiger Strukturen, wie er bei mittleren Polymerkonzentrationen gefunden wurde, führte zu Nanokügelchen, die bei entsprechender Anregung hauptsächlich Fluoreszenz im blauen Spektralbereich zeigen. Dagegen führte der Einbau an Randpositionen, wie er für sehr hohe und sehr niedrige Polymermengen auftrat, zur Unterdrückung der Lichtemission und stattdessen zu effektiver photokatalytischer Reduktion von Wasser zu Wasserstoff. Durch kleine Variationen der Syntheseprozedur können diese Eigenschaften also fein gesteuert werden. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass ihre neuen Erkenntnisse die Einsatzmöglichkeiten von C-Dots als fluoreszierende Lichtquelle oder für Anwendungen in der Energieumwandlung voranbringen werden.

Publikation:
Nature Communications 2017

Externer Link: www.uni-muenchen.de

3D-Mikrodruck: Sicherheit für Produkte, Pässe und Geld

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 25.10.2017

Fälschungen und Produktpiraterie schaden Gesellschaft und Wirtschaft – 3D-Mikrostrukturen können Sicherheit erhöhen – KIT-Forscher entwickeln hierfür innovative fluoreszierende 3D-Strukturen

Sicherheitsmerkmale sollen Geldscheine, Dokumente und Markenprodukte vor Fälschungen schützen. Denn etwa Verluste durch Produkt- und Markenpiraterie können enorm sein: Der Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau beziffert allein für seine Branche die entstandenen Schäden für das Jahr 2016 auf 7,3 Milliarden Euro. Um die Fälschungssicherheit zu erhöhen, schlagen Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie und der Firma ZEISS in der Fachzeitschrift Advanced Materials Technologies nun vor, statt auf gängige 2D-Strukturen, wie zum Beispiel Hologramme, auf 3D-gedruckte Mikrostrukturen zu setzen.

„Heutzutage basieren optische Sicherheitsmerkmale, zum Beispiel Hologramme, häufig auf zweidimensionalen Mikrostrukturen“, erklärt Professor Martin Wegener, Experte für 3D-Druck von Mikrostrukturen am Institut für Nanotechnologie des KIT. „Durch die Verwendung von 3D-gedruckten fluoreszierenden Mikrostrukturen kann die Fälschungssicherheit erhöht werden.“ Die neuen Sicherheitsmerkmale haben eine Seitenlänge von rund 100 Mikrometern und sind mit dem bloßen Auge oder einem herkömmlichen Mikroskop kaum noch zu erkennen. Für ihre Herstellung und Anwendung haben Wegener und sein Team ein innovatives Verfahren entwickelt, das vom Aufbau der Mikrostrukturen bis hin zum Auslesen der Informationen den gesamten Prozess umfasst.

Die Mikrostrukturen bestehen aus einem 3D-Stützgitter und Punkten, die in unterschiedlichen Farben fluoreszieren und innerhalb dieses Gitters variabel in drei Dimensionen angeordnet werden können. Um solche Mikrostrukturen aufbauen und drucken zu können bedienen sich die Experten eines schnellen und präzisen Laserlithographie-Gerätes, das von der Firma Nanoscribe – einem Spinoff des KIT – entwickelt und verkauft wird. Es erlaubt voluminöse Strukturen höchste Präzision auf einigen Millimetern Kantenlänge oder mikrostrukturierte Oberflächen mit Ausdehnungen bis in den Quadratzentimeterbereich.

Der spezielle 3D-Drucker baut die Strukturen Schicht für Schicht aus einem nicht fluoreszierenden und zwei fluoreszierenden Fotolacken auf. Dabei durchfährt ein Laserstrahl sehr präzise Punkte im flüssigen Fotolack. Lediglich genau am Fokuspunkt des Laserstrahls wird das Material belichtet und härtet aus. Die dabei entstehende filigrane Struktur wird anschließend in ein transparentes Polymer eingebettet, das sie vor Schäden schützen soll.

„Auf diese Weise produzierte Sicherheitsmerkmale sind nicht nur individuell aufgebaut, sondern auch komplex in der Herstellung. Dies alles macht Fälschern das Leben schwer“, erklärt Frederik Mayer vom Institut für Nanotechnologie des KIT. Das neue Verfahren ist zudem leicht erweiterbar und vielfältig anwendbar. Denkbar ist zum Beispiel, dass die 3D-Merkmale als eingebettete Folie in Sicherheitsetiketten zum Einsatz kommen, die unter anderem Pharmazeutika, Autoersatzteile oder Handy-Akkus vor Fälschungen schützen sollen, oder dass sie in die Sichtfenster von Geldscheinen integriert werden. Für spätere Echtheitsüberprüfungen an der Supermarktkasse oder in der Werkshalle bedarf es dann spezieller Auslesegeräte, die in der Lage sind fluoreszierende 3D-Strukturen zu erkennen. (sur)

Publikation:
Advanced Materials Technologies

Externer Link: www.kit.edu

Unter Beobachtung

Presseinformation der LMU München vom 18.09.2017

Auf dem Weg zu smarten Nanomaschinen: LMU-Chemiker haben eine neue Synthese entwickelt, um die Drehung eines molekularen Motors zu verlangsamen und so seinen Mechanismus genau analysieren zu können.

LMU-Chemiker um Dr. Henry Dube haben eine Methode entwickelt, die Drehung eines molekularen Motors zu verlangsamen. „In unserer Arbeit haben wir die Geschwindigkeit unseres molekularen Motors soweit reduziert, dass wir seine lichtgetriebene gerichtete Rotationsbewegung nun genau nachverfolgen können“, sagt Dube, der eine Emmy-Noether-Gruppe leitet. Die Ergebnisse erscheinen im Journal Angewandte Chemie.

Der neue molekulare Schalter basiert wie ein von Dube bereits 2015 in Nature Communications beschriebener Motor auf dem Molekül Hemithioindigo, das eine Kohlenstoff-Doppelbindung hat. Bei Lichteinfluss verändert das Molekül seine Struktur und rotiert um seine Doppelbindung in eine Richtung. Dabei reicht weniger energiereiches Licht aus als es bei den meisten molekularen Motoren nötig ist, sodass der molekulare Motor aus Dubes Labor flexibler eingesetzt werden kann. Um die Drehung zu verlangsamen, haben Dube und sein Team nun eine neue Synthese entwickelt, die in fünf Schritten zum Hemithioindigo-Motor führt. Die neue Synthese ermöglicht es, große Reste in die Struktur einzufügen, die zu einer langsameren Drehung führen. So lassen sich alle vier Zwischenprodukte beobachten und damit die gerichtete Drehung des Motors beweisen.

Die Forschung von Henry Dube ist wesentlich für die Entwicklung molekularer Bauteile für sogenannte Nanomaschinen, künstliche Maschinen in der Größenordnung von Molekülen. Je genauer sich deren Bestandteile im Labor kontrollieren lassen, desto mehr Funktionen können sie ausführen. Die Möglichkeit, die Drehung des Hemithioindigo-Motors zu verlangsamen, macht ihn nun interessant für die Anwendung in der Katalyse oder auch für die Entwicklung von „smart materials“, intelligenten Werkstoffen, die sich gezielt steuern lassen.

Publikation:
Angewandte Chemie International Edition 2017

Externer Link: www.uni-muenchen.de