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06.02.2018 | Funktionswerkstoffe | Nachricht | Onlineartikel

Komplexe Parkettmuster, außergewöhnliche Materialien

Autor:
Nadine Winkelmann

Ein internationales Forscherteam unter Führung der Technischen Universität München hat einen Reaktionsweg entdeckt, der exotische Schichten mit halbregulärer Struktur erzeugt. Solche Materialien sind interessant, da sie häufig außerordentliche Eigenschaften besitzen.

Um eine Fläche mit gleichförmigen Kacheln lückenlos zu pflastern, kommen nur wenige geometrische Grundformen in Frage: Dreiecke, Vierecke und Sechsecke. Mit zwei oder mehr Kachelformen lassen sich wesentlich mehr und deutlich komplexere Muster erzeugen, die immer noch regelmäßig sind. Die sogenannten Archimedischen Parkettierungen. Auch Materialien können eine solche Parkettierung aufweisen. Diese Strukturen sind häufig mit ganz besonderen Eigenschaften verbunden, zum Beispiel mit außergewöhnlicher elektrischer Leitfähigkeit, spezieller Lichtreflektion oder extremer mechanischer Belastbarkeit. Doch es ist schwierig, solche Strukturen gezielt zu erzeugen. Dafür sind große molekulare Bausteine nötig, die nicht mit den konventionellen Herstellungsprozessen kompatibel sind. 

Einfache organische Bausteine bilden komplexe Materialien

Bei einer Klasse supramolekularer Netzwerke ist nun einem internationalen Team um die Professoren Florian Klappenberger und Johannes Barth vom Lehrstuhl für Experimentalphysik an der Technischen Universität München(TUM) sowie Professor Mario Ruben vom Karlsruher Institut für Technologie ein Durchbruch gelungen: Sie brachten organische Moleküle dazu, sich zu größeren Bausteinen zu verbinden, die selbstorganisiert ein komplexes Parkettmuster bilden. Als Ausgangsverbindung nutzten sie Ethynyl-Iodophenanthren. Auf einem Silbersubstrat bildet dieses Molekül zunächst ein regelmäßiges Netz mit großen sechseckigen Maschen. Eine Wärmebehandlung setzt dann eine Abfolge chemischer Prozesse in Gang, die einen neuartigen, deutlich größeren Baustein erzeugen, der quasi automatisch und selbstorganisiert eine komplexe Schicht mit kleinen sechs-, vier- und dreieckigen Poren bildet. Dieses Muster wird in der Sprache der Geometrie als semireguläre 3.4.6.4 Parkettierung bezeichnet. 

Laut Klappenberger zeigen die an der TUM durchgeführten Rastertunnelmikroskopie-Messungen deutlich, dass am Molekülumbau viele Reaktionen beteiligt sind, wodurch normalerweise zahlreiche Abfallprodukte entstehen würden. Hier jedoch werden die Nebenprodukte wiederverwendet, so dass der Gesamtprozess mit großer Atomökonomie, das heißt mit nahezu hundertprozentiger Ausbeute, zuverlässig zum gewünschten Endprodukt führt. "Wir haben einen völlig neuen Weg entdeckt, um komplexe Materialien aus einfachen organischen Bausteinen herzustellen", fasst Klappenberger zusammen. "Das ist wichtig, um Materialien mit neuen und extremen Eigenschaften gezielt synthetisieren zu können. Außerdem tragen diese Ergebnisse dazu bei, das spontane Auftauchen von Komplexität in chemischen und biologischen Systemen besser zu verstehen." 

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