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Physiker legen chemisches Allround-Talent in Ketten

13.08.2014

Porphyrin-Moleküle sind essentiell für viele biologische Prozesse, wie etwa die Photosynthese.

Kernbestandteil dieser vielfältigen molekularen Bausteine ist das Porphin. An der Technischen Universität München (TUM) forscht die Gruppe um Dr. Wilhelm Auwärter an den chemischen Allround-Talenten.


Porphin-Dimere

Bild: W. Auwärter/Alissa Wiengarten/TUM

Geordnete Ketten der Porphine, sogenannte Tapes, könnten etwa zur Datenspeicherung genutzt werden. Nun ist es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern gelungen, Porphin-Paare und kurze Porphin-Ketten direkt auf einer Oberfläche herzustellen.

Porphin-Moleküle in Ketten legen: Das ist ein Ziel von Dr. Wilhelm Auwärter und seinem Team am Lehrstuhl für Molekulare Nanowissenschaften & Chemische Physik von Grenzflächen der TUM. Und es ist ihnen gelungen.

In einer Vakuum-Kammer erhitzten die Physiker Porphin-Pulver so stark, dass die Moleküle sich einzeln aus dem Verband lösten und das Pulver sublimierte, also direkt in den gasförmigen Zustand überging. Eine Silberoberfläche fing die Moleküle auf.

Wird dieses Substrat auf bestimmte Temperaturen gebracht, reagieren die Porphine miteinander und verbinden sich. Einzelne Porphin-Moleküle können die heiße Oberfläche verlassen. Zwei, drei oder mehr miteinander verbundene Porphin-Einheiten jedoch nicht mehr. Ungeordnete, verzweigte Ketten mit bis zu 90 Porphin-Einheiten konnten die Wissenschaftler auf diese Weise bereits erzeugen.

Silber wirkt als Katalysator

Die Silberoberfläche spielt bei der Bildung der Porphin-Strukturen offenbar eine tragende Rolle: "Silber scheint eine Art Katalysator für die Bildung der Molekülketten zu sein", erklärt Wilhelm Auwärter. "Warum das so ist, können wir noch nicht vollständig erklären."

Die Wissenschaftler möchten neben solchen grundlegenden Fragen auch klären, wie sich geordnete, lange Molekülketten aus Porphinen herstellen lassen, sogenannte Tapes. Sie sind nur ein Molekül breit und könnten in Zukunft als optisch aktive Elemente, für elektronische Anwendungen oder auch zur Datenspeicherung genutzt werden.

Um die winzigen Strukturen auf den Silberoberflächen zu untersuchen, benutzt das Team ein ganzes Ensemble ausgefeilter Strukturanalyse-Techniken. Mithilfe des Rastertunnel-Mikroskops der TUM konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass sich tatsächlich Dimere und kurze Ketten aus Porphin gebildet hatten.

Anhand der spektroskopischen Untersuchungen mit Synchrotron-Strahlung aus dem ELETTRA-Speicherring in Triest gewannen die Wissenschaftler außerdem wichtige Einblicke in die elektronische Struktur der Anordnungen.

Über das Projekt:
Die Arbeiten wurden unterstützt aus Mitteln des European Research Council (Advanced Grant MolArt), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Exzellenzcluster Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP) und Institute for Advanced Study der Technischen Universität München), der International Max Planck Research School of Advanced Photon Science (IMPRS-APS), eines Marie Curie Intra-European Fellowship der EU sowie der japanischen Programme des International Center for Young Scientists (ICYS) und des International Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA). Die Synchrotron-Experimente wurden am Berliner Elektronen-Synchrotron BESSY II und am Elektronen-Synchrotron ELETTRA in Trieste (Italien) durchgeführt.

Originalpublikation:
"Surface-assisted Dehydrogenative Homocoupling of Porphine Molecules", Alissa Wiengarten, Knud Seufert, Willi Auwärter, David Ecija, Katharina Diller, Francesco Allegretti, Felix Bischoff, Sybille Fischer, David A. Duncan, Anthoula C. Papageorgiou, Florian Klappenberger, Robert G. Acres, Thien H. Ngo and Johannes V. Barth
J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 9346−9354 – DOI: 10.1021/ja501680n

Weitere Informationen:

http://www.tum.de/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/kurz/article/31734/ (Meldung im Web)
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja501680n (Originalpublikation)
http://mediatum.ub.tum.de/?id=1227976#1227976 (Bilder zum Download)

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

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