An der TU Wien wur­den Bau­steine ent­wi­ckelt, die sich ganz von selbst zu kom­pli­zier­ten Struk­tu­ren zusammenfügen.

Wenn man win­zige Nano­struk­tu­ren her­stel­len will, kann man ent­we­der genau die rich­ti­gen Bau­steine anein­an­der­fü­gen oder ein Mate­rial mit Prä­zi­si­ons­werk­zeu­gen zuschnei­den. Prak­ti­scher ist es, wenn man Mole­küle hat, die sich ganz von selbst zu einer wohl­ge­ord­ne­ten Struk­tur zusammenbauen.
Einem For­schungs­team von der TU Wien, der KU Leu­ven (Bel­gien) und dem MPI Mainz (Deutsch­land) gelang es nun, Mole­küle je nach ange­leg­ter elek­tri­scher Span­nung zwi­schen zwei- und drei­di­men­sio­nale Anord­nun­gen hin und her wech­seln zu lassen.

Umschal­ten zwi­schen ver­schie­de­nen Nanostukturen
Im Nor­mal­fall besteht die Erwar­tung, dass sich Mole­küle auf einer Ober­flä­che ein­fach ganz zufäl­lig anord­nen, wie Spiel­zeug­ku­geln, die man über den Boden rol­len lässt. Man­che Mole­küle kön­nen aber mehr : „Wenn zwi­schen ihnen die rich­ti­gen Kräfte wir­ken, ver­bin­den sie sich auto­ma­tisch zu einer kom­ple­xen Struk­tur“, erklärt Stijn Mer­tens vom Insti­tut für ange­wandte Phy­sik der TU Wien.
Die­sen Effekt zu kon­trol­lie­ren ist meist sehr schwie­rig. Nun konnte eine Methode gefun­den wer­den, ein bestimm­tes posi­tiv gela­de­nes Mole­kül (PQP+) sogar zwi­schen ver­schie­de­nen Ord­nungs­zu­stän­den wech­seln zu las­sen. Die Mole­küle wer­den dabei auf einer ebe­nen Gold­flä­che auf­ge­bracht und dann mit einer Elek­tro­lyt­lö­sung bedeckt. 

Span­nung und che­mi­sche Struk­tur entscheidend
Zwi­schen dem Gold­un­ter­grund und der Elek­tro­lyt­lö­sung wird dann eine elek­tri­sche Span­nung ange­legt und die Mole­küle bil­den eine poröse Struk­tur. Je stär­ker der Gold­un­ter­grund nega­tiv auf­ge­la­den wird, umso mehr PQP+ Mole­küle kön­nen sich pro Flä­che anlagern.
Daher kön­nen sich je nach elek­tri­scher Span­nung unter­schied­li­che geord­nete Mus­ter erge­ben. „Je höher die Ladung im Gold, umso dich­ter wird die Über­de­ckung mit den PQP+ Mole­kü­len“, erklärt Stijn Mer­tens. „Bei all die­sen Bei­spie­len von Selbst­or­ga­ni­sa­tion legt die che­mi­sche Struk­tur der Bau­steine bereits fest, wel­che Anord­nun­gen in der Ebene mög­lich sind.“

Sechs­eckige Blumenmuster
Zunächst bil­den die Mole­küle sechs­eckige, blü­ten­ar­tige Struk­tu­ren aus. Erhöht man die Span­nung, dre­hen sich die Mole­küle und rücken aus­ein­an­der. In der Mitte jeder Sech­ser­gruppe wird dann ein Platz für ein zusätz­li­ches Mole­kül frei und eine neue, dich­tere Struk­tur ent­steht. Erhöht man die Span­nung wei­ter, rücken die Mole­küle schließ­lich über­ein­an­der und for­men eine drei­di­men­sio­nale Struk­tur. Mit Hilfe von Ras­ter­tun­nel­mi­kro­sko­pen kann man die win­zi­gen Struk­tu­ren mit Abmes­sun­gen im Bereich von weni­gen Nano­me­tern abbilden.
„Die­ses Maß an Kon­trolle und Repro­du­zier­bar­keit ist bei selbst­or­ga­ni­sie­ren­den Mole­kü­len unge­wöhn­lich“, so Mer­tens wei­ter. Ins­be­son­dere der Wech­sel zwi­schen zwei- und drei­di­men­sio­na­len Struk­tu­ren konnte vor­her noch nie beob­ach­tet wer­den wenn nur eine ein­zige Sorte che­mi­scher Bau­steine ver­wen­det wird.
„Nütz­lich könnte das für künst­li­che Rezep­to­ren, hoch­spe­zi­fi­sche Detek­to­ren oder neue, intel­li­gente Mate­ria­lien sein“, hofft Mer­tens. Auch Flüs­sig­kris­tall-Dis­plays funk­tio­nie­ren auf ähn­li­che Weise : Auch dort wird die Aus­rich­tung von Mole­kü­len mit Hilfe elek­tri­scher Fel­der kontrolliert.