Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Livebilder aus dem Nanokosmos

05.11.2014

Forscher sehen Schichten aus Fußballmolekülen beim Wachsen zu

Forscher haben bei DESY live beobachtet, wie sich fußballförmige Kohlenstoffmoleküle zu ultraglatten Schichten ordnen. Die Untersuchung an DESYs Forschungslichtquelle PETRA III ermöglicht zusammen mit theoretischen Modellrechnungen erstmals, diesen Wachstumsprozess grundlegend zu verstehen, wie die Gruppe um die beiden Erstautoren Sebastian Bommel (DESY und Humboldt-Universität zu Berlin) und Nicola Kleppmann (Technische Universität Berlin) im Fachblatt "Nature Communications" berichtet.


Künstlerische Darstellung des Schichtwachstums der Fußballmoleküle.

Bild: Nicola Kleppmann/TU Berlin

Damit wird künftig auch die gezielte Konstruktion von Nanostrukturen aus diesen Kohlenstoffmolekülen möglich, die eine zunehmend wichtige Rolle in der zukunftsträchtigen Plastikelektronik und zum Beispiel in Handy-Displays spielen. An der Untersuchung waren die Humboldt-Universität zu Berlin, die Technische Universität Berlin, die Universität Tübingen und DESY beteiligt.

Die Wissenschaftler haben sogenannte Buckyballs untersucht. Das sind kugelförmige Moleküle, die aus 60 Kohlenstoffatomen (C60) bestehen. Da sie an die geodätischen Kuppeln des US-Architekten Richard Buckminster Fuller erinnern, werden sie auch Buckminster-Fullerene oder kurz Buckyballs genannt. Mit ihrer Struktur aus abwechselnden Fünf- und Sechsecken ähneln sie außerdem winzigen, molekularen Fußbällen.

Mit DESYs Röntgenquelle PETRA III beobachteten die Forscher, wie sich aus einem Dampf von Buckyballs die kugelförmigen Moleküle auf einem Substrat ablagern. Tatsächlich entsteht dabei eine Lage nach der anderen, die Kohlenstoffmoleküle wachsen vorwiegend in Inseln mit einer Höhe von nur einem Molekül und bilden kaum Türmchen. „Die erste Lage ist zu 99 Prozent fertig gewachsen, bevor das erste Prozent der zweiten Lage entstanden ist", berichtet DESY-Forscher Bommel, der an der Humboldt-Universität in der Gruppe von Prof. Stefan Kowarik promoviert. Auf diese Weise bilden sich extrem glatte Schichten.

„Damit wir die Wachstumsprozesse wirklich live beobachten konnten, mussten wir die Oberfläche auf molekularer Ebene schneller vermessen als eine einzelne Schicht wächst, was ungefähr im Minutenabstand stattfindet", erläutert Koautor Dr. Stephan Roth, Leiter der Messstation P03, an der die Versuche stattfanden. „Dafür ist die Röntgenstreuung besonders geeignet, mit der sich das Wachstum detailliert verfolgen lässt.“

„Um die Entwicklung der Oberflächenformen auf molekularer Ebene zu verstehen, haben wir umfangreiche Simulationen im Nichtgleichgewicht durchgeführt, die den gesamten Wachstumsprozess der C60-Moleküle zu einer Gitterstruktur beschreiben", erläutert Kleppmann, Doktorandin in der Arbeitsgruppe von Prof. Sabine Klapp am Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität Berlin. „Unsere Ergebnisse liefern fundamentale Einblicke in die molekularen Wachstumsprozesse eines Systems, das ein wichtiges Bindeglied zwischen der Welt der Atome und derjenigen der Kolloide darstellt."

Dank der Kombination aus experimentellen Beobachtungen und Modellrechnungen konnten die Wissenschaftler erstmals für ein derartiges System drei zentrale Energieparameter zugleich bestimmen: die Bindungsenergie der Fußballmoleküle untereinander sowie die sogenannte Diffusionsbarriere, die ein Molekül überwinden muss, wenn es sich auf der Oberfläche bewegen will, und die Ehrlich-Schwoebel-Barriere, die ein Molekül überwinden muss, wenn es auf einer Insel landet und von ihr herunter hüpfen will.

„Durch diese Werte verstehen wir jetzt erstmals wirklich, wodurch das Wachstum von Nanostrukturen bestimmt wird", betont Bommel. „Wenn man in die Zukunft denkt, ist es vorstellbar, mit diesem Wissen gezielt das Wachstum der Strukturen zu beeinflussen: Wie muss ich meine Parameter Temperatur und Depositionsrate verändern, um eine bestimmte Inselgröße wachsen zu lassen. Das könnte zum Beispiel für organische Solarzellen, die C60 beinhalten, interessant sein." Mit denselben Methoden wollen die Forscher in Zukunft auch das Wachstum weiterer molekularer Systeme erkunden.

Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY ist das führende deutsche Beschleunigerzentrum und eines der führenden weltweit. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und wird zu 90 Prozent vom BMBF und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert. An seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen bei Berlin entwickelt, baut und betreibt DESY große Teilchenbeschleuniger und erforscht damit die Struktur der Materie. Die Kombination von Forschung mit Photonen und Teilchenphysik bei DESY ist einmalig in Europa.

Originalveröffentlichung: „Unravelling the multilayer growth of the fullerene C60 in real-time", Sebastian Bommel, Nicola Kleppmann et al.; "Nature Communications, 2014; DOI: 10.1038/ncomms6388


Weitere Informationen:

http://dx.doi.org/10.1038/ncomms6388  - Originalveröffentlichung

Dr. Thomas Zoufal | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.desy.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Der überraschend schnelle Fall des Felix Baumgartner
14.12.2017 | Technische Universität München

nachricht Eine blühende Sternentstehungsregion
14.12.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Immunsystem - Blutplättchen können mehr als bislang bekannt

LMU-Mediziner zeigen eine wichtige Funktion von Blutplättchen auf: Sie bewegen sich aktiv und interagieren mit Erregern.

Die aktive Rolle von Blutplättchen bei der Immunabwehr wurde bislang unterschätzt: Sie übernehmen mehr Funktionen als bekannt war. Das zeigt eine Studie von...

Im Focus: First-of-its-kind chemical oscillator offers new level of molecular control

DNA molecules that follow specific instructions could offer more precise molecular control of synthetic chemical systems, a discovery that opens the door for engineers to create molecular machines with new and complex behaviors.

Researchers have created chemical amplifiers and a chemical oscillator using a systematic method that has the potential to embed sophisticated circuit...

Im Focus: Nanostrukturen steuern Wärmetransport: Bayreuther Forscher entdecken Verfahren zur Wärmeregulierung

Der Forschergruppe von Prof. Dr. Markus Retsch an der Universität Bayreuth ist es erstmals gelungen, die von der Temperatur abhängige Wärmeleitfähigkeit mit Hilfe von polymeren Materialien präzise zu steuern. In der Zeitschrift Science Advances werden diese fortschrittlichen, zunächst für Laboruntersuchungen hergestellten Funktionsmaterialien beschrieben. Die hiermit gewonnenen Erkenntnisse sind von großer Relevanz für die Entwicklung neuer Konzepte zur Wärmedämmung.

Von Schmetterlingsflügeln zu neuen Funktionsmaterialien

Im Focus: Lange Speicherung photonischer Quantenbits für globale Teleportation

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik erreichen mit neuer Speichertechnik für photonische Quantenbits Kohärenzzeiten, welche die weltweite...

Im Focus: Long-lived storage of a photonic qubit for worldwide teleportation

MPQ scientists achieve long storage times for photonic quantum bits which break the lower bound for direct teleportation in a global quantum network.

Concerning the development of quantum memories for the realization of global quantum networks, scientists of the Quantum Dynamics Division led by Professor...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Call for Contributions: Tagung „Lehren und Lernen mit digitalen Medien“

15.12.2017 | Veranstaltungen

Die Stadt der Zukunft nachhaltig(er) gestalten: inter 3 stellt Projekte auf Konferenz vor

15.12.2017 | Veranstaltungen

Mit allen Sinnen! - Sensoren im Automobil

14.12.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Weltrekord: Jülicher Forscher simulieren Quantencomputer mit 46 Qubits

15.12.2017 | Informationstechnologie

Wackelpudding mit Gedächtnis – Verlaufsvorhersage für handelsübliche Lacke

15.12.2017 | Verfahrenstechnologie

Forscher vereinfachen Installation und Programmierung von Robotersystemen

15.12.2017 | Energie und Elektrotechnik