Forschung
Einleitung
Die Arbeitsgruppe befasst sich mit der Selbstassemblierung organischer Moleküle auf Oberflächen, vorwiegend an der Fest-Flüssig-Grenzfläche auf Graphit. Ein wichtiger Aspekt der Arbeiten ist die vorhersagbare Parkettierung der Oberfläche mit monodispersen Cyclooligomeren, die wir als "Molekulare Polygone" bezeichnen. Diese erlauben ausgehend von der diskreten Geometrie (einem Teilgebiet der Mathematik) einen Konzepttransfer auf die Vorhersage zweidimensionaler Molekülmuster auf Festkörperoberflächen – in Abhängigkeit vom Moleküldesign. An dieser Stelle kommt die entscheidende Rolle der organischen Synthese zum Tragen: Organische Moleküle bestimmter Symmetrie und Größe bilden molekulare Parkettmuster bestimmter Symmetrie und Gitterkonstanten aus.
In der Physik und Physikalischen Chemie werden Moleküle auf Oberflächen fixiert beispielsweise durch "Einfrieren" bei tiefen Temperaturen unter Ultrahochvakuumbedingungen. Wir designen und synthetisieren Moleküle, welche bei Raumtemperatur spontan 2D-Kristalle auf (geeigneten) Oberflächen ausbilden – und so ebenfalls lateral fixiert sind. Sie können dann beispielsweise mit Hilfe des im Haus vorhandenen Rastertunnelmikroskops abgebildet werden. Dabei wird typischerweise submolekulare Auflösung (bis hin zu einzelnen –CH2–Einheiten von Alkylketten) erzielt, so dass einzelne Molekülbausteine präzise identifiziert werden können.
Die Gruppe arbeitet an der Schnittstelle zwischen Moleküldesign, synthetischer Organischer Chemie, supramolekularem Design (welches neu erarbeitete Adsorbatmuster beinhaltet) und der Herstellung und experimentellen Untersuchung der Adsorbatfilme mit Rastersondenmethoden.
Molekulare Wagenräder
Konjugierte Arylen-Alkinylen-Oligomere sind oberhalb einer bestimmten Persistenzlänge von einigen Nanometern nicht formtreu. Oft enthalten derartige Moleküle zudem nicht-lineare (gelenkartig rotierbare) Untereinheiten, wie in einem kürzlich untersuchten Carbazol-basierten Hexamer (siehe Abbildung). Es resultieren zufällige Packungsmuster, wie in dem STM-Bild eines 2D-Films an der 1,2,4-Trichlorbenzol/Graphit-Grenzfläche sichtbar ist.
In "Molekularen Wagenrädern" wird mittels eines "Speichensystems" ein konjugiertes Cyclooligomer derart aufgespannt und fixiert, dass eine wohldefinierte fixierte Ringstruktur resultiert. Die Verbindungen sind über eine schrittweise Synthese zugänglich (Prof. Höger) und weisen unerwartete optische Eigenschaften auf (Prof. Lupton). In selbstassemblierten Monolagen an der Fest-Flüssig-Grenzfläche (1-Octansäure/Graphit) parkettieren die Wagenräder in einem annähernd hexagonalen Muster.
Abbildung: (a)–(b) Azyklische Hexamere werden verglichen mit (d)–(e) einem Molekularen Wagenrad, dessen konjugierter Radkranz die selbe Kettenlänge aufweist. Die molekularen und supramolekularen Strukturen lassen sich anschaulich wie (gekochte) Spaghetti (c) und Rotelle (f) beschreiben.
Die Rastertunnelmikroskopie liefert ein entscheidendes Verständnis über die resultierenden molekularen und supramolekularen Architekturen. Hierzu haben wir kürzlich in Nature Chemistry 2013, 5, 964–970 berichtet, und ein zugehöriger Feature-Artikel dazu findet sich in Nature Chemistry 2013, 5, 903–904.
Kürzlich wurde diese Arbeit auf der Titelseite von Nachrichten aus der Chemie gefeatured:
