Ein Hauch von Material Selbstorganisation und Licht erschaffen ultradünne Kunststoffe

Redakteur: Peter Königsreuther

Ein internationales Forscherteam, angeführt von Experten der TU München, weiß, wie man zweidimensionale Kunststoffe noch herstellen kann. Hier erklären sie, wie das neue Verfahren funktioniert.

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Prof. Dr. Markus Lackinger bei der Arbeit mit einer Ultrahochvakuumkammer an der TU München. Er ist neuen 2D-Materialien mithilfe von Selbstorganisation und Photopolymerisation auf der Spur.
Prof. Dr. Markus Lackinger bei der Arbeit mit einer Ultrahochvakuumkammer an der TU München. Er ist neuen 2D-Materialien mithilfe von Selbstorganisation und Photopolymerisation auf der Spur.
(Bild: A. Heddergott / TU München)

Die dabei involvierten Spezialisten der TU München, des Deutschen Museums und der Universität Linköping (Schweden) haben ein Verfahren entwickelt, mit dem 2D-Polymere hergestellt werden können, die nur eine Moleküllage „dick“ sind. Das Ganze funktioniert durch Lichteinwirkung (Photopolymerisation). Ultradünne und doch funktionale Werkstoffe sind das Ergebnis, heißt es weiter.

Zwei Möglichkeiten gab es bisher, um ultradünne Materialien herzustellen, sagen die Experten. Beim ersten wird eine zusammenhängende Lage von Molekülen oder Atomen von schichtförmigen Kristallen eines Ausgangsmaterials „abgelöst“. Graphen ist ein Beispiel dafür.

Eine andere baut den Werkstoff Molekül für Molekül auf, indem diverse Bindungen zwischen den Molekülen hergestellt werden. Das Problem dabei sei, dass die Materialien oft kleinteilig und instabil sind sowie viele Defekte enthalten.

Ein neuer Ansatz basiert auf dem Molekül Fantrip

Ein Molekül namens „Fantrip“ macht es möglich. Der Name kommt von der Verbindung zweier Kohlenwasserstoffe – fluoriertes Anthracen und Triptycen. Das Molekül bewirkt, dass sich mehrere Moleküle spontan zu einer Struktur anordnen, wenn sie auf eine mit einer mit einer ultradünnen Wachsschicht überzogene Graphitoberfläche abgeschieden werden, sagen die Forschenden. Das ist mit „Selbstorganisation“ gemeint.

Dann kommt die Photopolymerisation ins Spiel. Die Moleküle werden von einem violetten Laser bestrahlt, der die Elektronen in der äußersten Elektronenhülle anregt. Es bilden sich starke und dauerhafte Bindungen zwischen den Molekülen aus.

Das Ergebnis ist ein poröses 2D-Polymer, dass nur einen halben Nanometer „dick“ ist, betont man. Es besteht aus mehreren hunderttausend identisch verknüpften Molekülen. Es ist also ein Material, mit nahezu perfekter Ordnung bis auf die atomare Ebene, machen die Wissenschaftler klar. Unten wird der Reaktionsweg verdeutlicht.

So sieht der Reaktionsweg aus, den die sich selbst organisierenden molekularen Strukturen bis zum verknüpften 2D-Polymer durchlaufen. Sie lassen sich übrigens maßschneidern, heißt es.
So sieht der Reaktionsweg aus, den die sich selbst organisierenden molekularen Strukturen bis zum verknüpften 2D-Polymer durchlaufen. Sie lassen sich übrigens maßschneidern, heißt es.
(Bild: M. Lackinger / TU München)

Simulationen sagen Werkstoffverhalten exakt voraus

Durch die Verbesserung der Methode könne man die Eigenschaften der ultradünnen Materialien im Übrigen steuern und maßschneidern.

Damit das Material aber nicht verunreinigt wird, erfolgt die Polymerisation im Vakuum. Das fertige zweidimensionale Polymer ist aber unter normalen Bedingungen stabil, was für zukünftige Anwendungen entscheidend ist. Markus Lackinger, Forschungsgruppenleiter am Deutschen Museum und der TU München, glaubt deshalb, dass dafür viele nützliche Anwendungen zu finden sind. Nicht zuletzt hat man beweisen können, dass vorher gemachte Simulationen bis ins Detail mit der werkstofflichen Wirklichkeit überein stimmen, heißt es weiter.

Jetzt will man heraus bekommen, ob sich auch andere Moleküle zu neuen zweidimensionalen und funktionellen Materialien verknüpfen lassen.

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