Elegante Kettenbildung: Münsteraner lösen chemisches Problem mithilfe der Nanotechnologie

Wie bringt man kurze Ketten aus reaktionsträgen, linearen („spaghettiförmigen“) Kohlenwasserstoffmolekülen dazu, eine einzige lange Kette zu bilden? Für Chemiker ist das ein schwieriges und seit Langem bekanntes Problem. Sie können solche Ketten nur mühsam und mit einem sehr hohen Energieaufwand erzeugen.

Münstersche Wissenschaftler vom Center for Nanotechnology (CeNTech) und der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) haben nun mithilfe eines nanotechnologischen Ansatzes eine elegante Lösung gefunden. Bei dem neuen Verfahren verknüpfen sich Kohlenwasserstoffketten „von selbst“ an ihren Enden miteinander und erzeugen lange Molekülketten, sogenannte langkettige lineare gesättigte Polymere. Das Verfahren funktioniert einfach und ohne großen Energieaufwand. Die Forscher berichten in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachmagazins „Science“ von ihrer Entdeckung.

Die Physiker vom CeNTech und vom Physikalischen Institut der WWU – ein Team um Dr. Dingyong Zhong, Professor Harald Fuchs und Professorin Lifeng Chi – haben einen nanotechnologischen Trick eingesetzt: Extrem feine Goldkanäle, die kaum breiter sind als die Kohlenwasserstoffketten, zwingen die Moleküle, sich alle entlang der gleichen Achse auszurichten. Da die Moleküle sich nur gestreckt innerhalb der Kanäle vor- und zurückbewegen können, treffen die Enden automatisch frontal aufeinander, „kleben“ zusammen und bilden lange Ketten – lineare Polymere. Was auf diese Weise einfach klappt, ist mit herkömmlichen Methoden ein Problem. Denn dass sich aus den kurzen Ketten eine lange bildet, ist eigentlich unwahrscheinlich, ähnlich wie bei Spaghetti, die in einem Topf auf dem Herd schwimmen. Selbst wenn die Enden der Nudelschnüre sehr klebrig wären, würden nur sehr selten zwei Enden zufällig genau frontal aufeinandertreffen und zusammenkleben. Dass sich eine sehr lange Spaghetti-Kette bildet, wäre kaum zu erwarten.

Die Goldkanäle entstehen bei leichter Erwärmung des Metalls von selbst. Diese sogenannte Selbstorganisation macht das Verfahren sehr einfach – die Oberfläche muss nicht aufwendig von den Wissenschaftlern strukturiert werden. Ein weiterer Clou: Die Goldatome aktivieren die Kohlenwasserstoffketten, machen sie also für die Reaktion bereit. Normalerweise sind die von den Forschern eingesetzten Kohlenwasserstoffketten reaktionsträge. Sie reagieren also kaum von selbst mit anderen Molekülen. Nach herkömmlichen Methoden müssen Chemiker zur Aktivierung zunächst viel Energie einsetzen, in der Regel sehr hohe Temperaturen. Mit dem neuen Verfahren wird diese Energie gespart.

Damit das Verfahren funktioniert, muss es unter Ultrahochvakuumbedingungen stattfinden, und es sind sehr saubere Goldoberflächen nötig. Die langen Kanäle in den Goldoberflächen haben einer Breite von nur etwas über einem Nanometer, also einem millionstel Millimeter. „In der Fachwelt spricht man bei diesen Strukturen auch von einem eindimensionalen 'Confinement', das die Stoffe, die miteinander chemisch reagieren, in eine bestimmte räumliche Position bringt“, erläutert Harald Fuchs. „So tritt, wie in diesem Fall, im Wesentlichen nur die gewünschte Reaktion an den Kettenenden auf.“

Für den Erfolg der Arbeit war die enge Zusammenarbeit der Physiker mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Gerhard Erker vom Organisch-Chemischen Institut der WWU entscheidend. Um die Ergebnisse abzusichern, waren zahlreiche Kontrollversuche erforderlich. Dazu hat die Arbeitsgruppe von Gerhard Erker in Kooperation mit dem CeNTech-Team speziell synthetisierte Moleküle bereitgestellt. So konnten die Forscher zum Beispiel demonstrieren, dass bei Molekülen mit nur jeweils einem reaktiven („klebrigen“) Ende tatsächlich wie erwartet nur kurze Ketten aus genau zwei Molekülen auftreten – ein Beleg dafür, dass das Verfahren funktioniert und die chemische Reaktion steuerbar ist. Darüber hinaus konnten die Münsteraner ihre Ergebnisse mit theoretischen Rechnungen untermauern.

„Die Ergebnisse sind ein wunderbares Beispiel dafür, wie eine geschickte Kombination von Nanowissenschaften und organischer Chemie neue Wege der energieschonenden Erzeugung von linearen gesättigten Polymeren ermöglicht“, betont Harald Fuchs. „Diese Polymere sind Materialien, die für die Industrie von großem praktischem Interesse sind.“ So könnten sie beispielsweise der einfachen und kostengünstigen Herstellung hochwertiger Kunststoffe dienen.

Literatur:

Zhong D. et al. (2011): Linear Alkane Polymerization on a Gold Surface. Science Vol. 334 no. 6053 pp. 213-216; DOI: 10.1126/science.1211836