Forscher entwickeln zweidimensionalen Kristall mit hoher Leitfähigkeit

Wissenschaftlern der Universität Leipzig ist es in Zusammenarbeit mit Kollegen aus Japan, Großbritannien und den USA erstmals gelungen, organische Moleküle zu einem zweidimensionalen Kristall mit sehr hoher Leitfähigkeit zusammenzufügen.

„Diese Synthese eröffnet dem Kohlenstoff die Welt der zweidimensionalen Netzstrukturen, ein Ziel, das seit langem in der Chemie und Physik verfolgt wurde“, sagt der Leiter des internationalen Forschungsteams, Prof. Donglin Jiang vom Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST). Die Wissenschaftler haben ihre neuen Erkenntnisse gerade im renommierten Journal „Science“ veröffentlicht.

Die neue polymere Gerüstverbindung bietet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in der Nanotechnologie und in der Elektronik. „Aus solch molekularen Bausteinen können Halbleiter mit verschiedensten elektronischen und strukturellen Eigenschaften entwickelt werden.

Diese könnten beispielsweise in der Photovoltaik, der Sensorik oder bei der Herstellung von Leuchtelementen Impulse für neue Technologien setzen“, sagt Prof. Dr. Thomas Heine vom Wilhelm-Ostwald-Institut der Universität Leipzig, wo die Berechnungen zur Struktur und zu den elektronischen Eigenschaften durchgeführt wurden. Weiterhin waren an dem Projekt Forscher des Institute for Molecular Science in Japan, der Nottingham Trent University in Großbritannien und des Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA beteiligt.

Chemiker haben in den vergangenen Jahrhunderten die Synthese von Molekülen perfektioniert. Sie können heute einzelne Atome oder Atomgruppen im Molekülverband so anordnen, dass sie die Eigenschaften des Moleküls bestimmen.

Diese synthetisierten Moleküle bestehen oft aus vielen verschiedenen Elementen und sind aus dem Haushalt (zum Beispiel Waschmittel), der Medizin (zum Beispiel Schmerzmittel) oder der Landwirtschaft (zum Beispiel Düngemittel) bekannt. Bei den festen Materialien ist solch eine atomare Kontrolle bislang nicht gelungen. In den meisten Fällen nutzt man die Stoffe in der Struktur, wie sie in der Natur vorgefunden werden, und sucht sich aus der Vielfalt der Möglichkeiten das am besten passende Material heraus.

„Das Design von komplexen, regulären Feststoffen mit dedizierten Eigenschaften ist bislang noch nicht im großen Maßstab gelungen“, erklärt Chemiker Dr. Matthew Addicoat, der ebenfalls an den Forschungen im Wilhelm-Ostwald-Institut der Universität Leipzig beteiligt war, mittlerweile jedoch an der Nottingham Trent University tätig ist.

Zwar sei es möglich, Moleküle in sogenannten Gerüstverbindungen zu regulären Kristallen zusammenzufügen, jedoch agieren die molekularen Bausteine hier immer noch vornehmlich als Einzelmoleküle. Durch das Zusammenfügen der Moleküle im Kristall werden also nur begrenzt gemeinsame Eigenschaften gebildet. Das Wissenschaftlerteam hat nun erstmals organische Moleküle so zu einem regulären zweidimensionalen Gerüst zusammengefügt, dass sie elektronisch koppeln und dadurch gemeinsame Eigenschaften ausbilden. 

Originaltitel der Veröffentlichung im „Science“: „Two-dimensional sp2 carbon-conjugated covalent organic frameworks“ Doi: 10.1126/science.aan0202 

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Thomas Heine
Lehrstuhl für Theoretische Chemie komplexer Systeme Wilhelm-Ostwald-Institut für Physikalische und Theoretische Chemie
Telefon: +49 341 97-36401
E-Mail: homas.heine@uni-leipzig.de