Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Oberflächenchemie führt zu neuen Produkten

13.09.2016

Chemische Reaktionen auf Oberflächen können zu neuen chemischen Verbindungen führen, die bisher in Lösung nicht synthetisiert wurden. Die Ausgangs-, Zwischen- und Endprodukte lassen sich dabei mithilfe eines hochauflösenden Rasterkraftmikroskops genau analysieren. Dies zeigen Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institute und des Departements Physik der Universität Basel zusammen mit Kollegen aus Japan und Finnland in der Fachzeitschrift «Nature Communications».

Bei zahlreichen nanotechnologischen Anwendungen werden einzelne Moleküle auf Oberflächen platziert, damit sie bestimmte Funktionen erfüllen – beispielsweise elektrischen Strom zu leiten oder ein Lichtsignal auszusenden.


Katalysiert durch die Kupferatome der Oberfläche, verändert das Ausgangsprodukt bei einer graduellen Temperaturerhöhung seine chemische Struktur und räumliche Anordnung.

(Illustration: Universität Basel, Departement Physik)

Im Idealfall synthetisieren die Wissenschaftler diese teilweise recht komplexen chemischen Verbindungen direkt auf der Oberfläche. Mithilfe von ultrahochauflösenden Rasterkraftmikroskopen lassen sich die chemischen Reaktionen auf der Oberfläche Schritt für Schritt verfolgen. Die erhaltenen Daten erlauben zudem die Berechnung der genauen molekularen Struktur und der Energetik der Reaktionsschritte.

Mitarbeiter von Prof. Ernst Meyer von der Universität Basel haben für ihre Untersuchungen ein Molekül gewählt, das aus drei Benzolringen besteht, die über eine Dreifachbindung verbunden sind. Bringen die Forscher dieses Molekül auf eine Silberoberfläche auf, ordnen sich die Moleküle selbst zu einem gleichmässigen Muster an – es kommt jedoch nicht zu einer chemischen Reaktion.

Kupfer als Katalysator

Auf einer Kupferoberfläche dagegen reagieren die Moleküle bereits bei einer Temperatur von –123 °C. Katalysiert durch die Kupferatome, nimmt das Ausgangsmolekül zwei Wasserstoffatome auf und verändert seine Struktur und räumliche Anordnung. Wird die Probe auf 200 °C erwärmt, erfolgt ein weiterer Reaktionsschritt, bei dem es zur Ausbildung von zwei Fünferringen kommt.

Eine weitere Temperaturerhöhung auf 400 °C bewirkt die Abspaltung von Wasserstoffatomen und die Ausbildung einer weiteren Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung. Die beiden letzten Reaktionsschritte führen zu aromatischen Kohlenwasserstoffverbindungen, die bisher in Lösung nicht synthetisiert worden waren.

Die Forscher führten diese Untersuchungen im Ultrahochvakuum durch und konnten die Synthese mithilfe eines hochauflösenden Rasterkraftmikroskops mit einer Kohlenstoffmonoxid-Spitze verfolgen. Die vergleichenden Computerberechnungen führten zur genauen molekularen Struktur, die bestens mit den mikroskopischen Aufnahmen übereinstimmt.

Nanostrukturen nach Mass

Mit seinen Untersuchungen hat das internationale Forschungsteam gezeigt, dass Oberflächenchemie zu neuen Produkten führen kann. «Diese äusserst reine Form der Chemie liefert uns massgeschneiderte Nanostrukturen auf Oberflächen, die vielfältig eingesetzt werden können», kommentiert Meyer die Arbeiten, die massgeblich von Dr. Shigeki Kawai durchgeführt wurden. In dem vorgestellten Beispiel fungiert die Kupferoberfläche als Katalysator; die chemische Reaktion der Ausgangsmoleküle wird durch Wärmezufuhr gesteuert und lässt sich mittels Rasterkraftmikroskopie verfolgen.

Orginalbeitrag

Shigeki Kawai, Ville Haapasilta, Benjamin D. Lindner, Kazukuni Tahara, Peter Spijker, Jeroen A. Buitendijk, Rémy Pawlak, Tobias Meier, Yoshito Tobe, Adam S. Foster, and Ernst Meyer
Thermal control of a sequential on-surface transformation of a hydrocarbon molecule on copper surface
Nature Communications (2016), doi: 10.1038/ncomms12711

Weitere Auskünfte

Prof. Dr. Ernst Meyer, Universität Basel, Departement Physik, Tel. +41 61 267 37 24, E-Mail: ernst.meyer@unibas.ch

Reto Caluori | Universität Basel
Weitere Informationen:
http://www.unibas.ch

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Advanced Materials: Glas wie Kunststoff bearbeiten
18.05.2018 | Karlsruher Institut für Technologie

nachricht Stärkstes Biomaterial der Welt schlägt Stahl und Spinnenseide
17.05.2018 | Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Bose-Einstein-Kondensat im Riesenatom - Universität Stuttgart untersucht exotisches Quantenobjekt

Passt eine ultrakalte Wolke aus zehntausenden Rubidium-Atomen in ein einzelnes Riesenatom? Forscherinnen und Forschern am 5. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart ist dies erstmals gelungen. Sie zeigten einen ganz neuen Ansatz, die Wechselwirkung von geladenen Kernen mit neutralen Atomen bei weitaus niedrigeren Temperaturen zu untersuchen, als es bisher möglich war. Dies könnte einen wichtigen Schritt darstellen, um in Zukunft quantenmechanische Effekte in der Atom-Ion Wechselwirkung zu studieren. Das renommierte Fachjournal Physical Review Letters und das populärwissenschaftliche Begleitjournal Physics berichteten darüber.*)

In dem Experiment regten die Forscherinnen und Forscher ein Elektron eines einzelnen Atoms in einem Bose-Einstein-Kondensat mit Laserstrahlen in einen riesigen...

Im Focus: Algorithmen für die Leberchirurgie – weltweit sicherer operieren

Die Leber durchlaufen vier komplex verwobene Gefäßsysteme. Die chirurgische Entfernung von Tumoren ist daher oft eine schwierige Aufgabe. Das Fraunhofer-Institut für Bildgestützte Medizin MEVIS hat Algorithmen entwickelt, die die Bilddaten von Patienten analysieren und chirurgische Risiken berechnen. Leberkrebsoperationen werden damit besser planbar und sicherer.

Jährlich erkranken weltweit 750.000 Menschen neu an Leberkrebs, viele weitere entwickeln Lebermetastasen aufgrund anderer Krebserkrankungen. Ein chirurgischer...

Im Focus: Positronen leuchten besser

Leuchtstoffe werden schon lange benutzt, im Alltag zum Beispiel im Bildschirm von Fernsehgeräten oder in PC-Monitoren, in der Wissenschaft zum Untersuchen von Plasmen, Teilchen- oder Antiteilchenstrahlen. Gleich ob Teilchen oder Antiteilchen – treffen sie auf einen Leuchtstoff auf, regen sie ihn zum Lumineszieren an. Unbekannt war jedoch bisher, dass die Lichtausbeute mit Elektronen wesentlich niedriger ist als mit Positronen, ihren Antiteilchen. Dies hat Dr. Eve Stenson im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching und Greifswald jetzt beim Vorbereiten von Experimenten mit Materie-Antimaterie-Plasmen entdeckt.

„Wäre Antimaterie nicht so schwierig herzustellen, könnte man auf eine Ära hochleuchtender Niederspannungs-Displays hoffen, in der die Leuchtschirme nicht von...

Im Focus: Erklärung für rätselhafte Quantenoszillationen gefunden

Sogenannte Quanten-Vielteilchen-„Scars“ lassen Quantensysteme länger außerhalb des Gleichgewichtszustandes verweilen. Studie wurde in Nature Physics veröffentlicht

Forschern der Harvard Universität und des MIT war es vor kurzem gelungen, eine Rekordzahl von 53 Atomen einzufangen und ihren Quantenzustand einzeln zu...

Im Focus: Explanation for puzzling quantum oscillations has been found

So-called quantum many-body scars allow quantum systems to stay out of equilibrium much longer, explaining experiment | Study published in Nature Physics

Recently, researchers from Harvard and MIT succeeded in trapping a record 53 atoms and individually controlling their quantum state, realizing what is called a...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

„Data Science“ – Theorie und Anwendung: Internationale Tagung unter Leitung der Uni Paderborn

18.05.2018 | Veranstaltungen

Visual-Computing an Bord der MS Wissenschaft

17.05.2018 | Veranstaltungen

Tagung »Anlagenbau und -betrieb der Zukunft«

17.05.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Bose-Einstein-Kondensat im Riesenatom - Universität Stuttgart untersucht exotisches Quantenobjekt

18.05.2018 | Physik Astronomie

Countdown für Kilogramm, Kelvin und Co.

18.05.2018 | Physik Astronomie

Wie Immunzellen Bakterien mit Säure töten

18.05.2018 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics