Wissenschaftler zeigen: Carben-Moleküle "reiten" auf Gold-Atomen
"Vorhangröllchen-Prinzip" löst scheinbaren Widerspruch
Viele Wissenschaftler richten derzeit ihr Forschungsinteresse auf eine Klasse von Kohlenstoff-Verbindungen, die für die gezielte Veränderung von Oberflächen und für die Steuerung katalytischer Reaktionen wichtig sind. Über das Verhalten dieser Moleküle, Carbene genannt, ist jedoch wenig bekannt. Chemikern und Physikern der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) gelang es nun, eine neue und völlig unerwartete Eigenschaft der Carbene aufzuklären. Sie zeigten, wie es diesen Molekülen gelingt, sich selbst zu ordnen und stabile Filme zu bilden.
Die gelben Kugeln symbolisieren einzelne Gold-Atome. Vorn: Ein Carben-Molekül bindet an ein Gold-Atom und hebt es aus der Oberfläche. Links: Bindung und Herausheben sind abgeschlossen, das Carben-Molekül kann nun frei rotieren. Rechts: Das Carben-Molekül gleitet auf einem Gold-Atom frei über die Oberfläche, kann sie aber nicht verlassen.
© WWU/Harald Fuchs
Die Wissenschaftler untersuchten Carben-Moleküle auf einer Goldoberfläche. Mithilfe der Rastertunnelmikroskopie konnten die Physiker im münsterschen "Center for NanoTechnology" (CeNTech) erstmals Carbene mit molekularer Auflösung abbilden. Chemiker der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Frank Glorius vom Organisch-Chemischen Institut der WWU hatten die Carbene zuvor hergestellt.
"Überraschend zeigte sich, dass sich die Carben-Moleküle auf der Goldoberfläche von selbst ordneten, was eine hohe Beweglichkeit voraussetzt", berichtet Prof. Dr. Harald Fuchs vom Physikalischen Institut der WWU, wissenschaftlicher Leiter des CeNTech. Für die Forscher war dies eine unerwartete Entdeckung, denn Carbene sind Moleküle, die stabile Filme bilden und so die darunterliegende Metalloberfläche vor äußeren Einflüssen schützen, also beispielsweise Korrosion verhindern. "Wir waren davon ausgegangen, dass diese Moleküle daher fest und unverrückbar an die Goldoberfläche binden. Stattdessen haben wir gesehen, dass sich bestimmte Carbene bewegen und dicht zusammenlagern", erläutert Frank Glorius.
Einerseits fest mit der Oberfläche verbundene Filme, andererseits bewegliche Moleküle – diesen scheinbaren Widerspruch klärte der Forscherverbund durch Untersuchungen mit dem Rastertunnelmikroskop, gezielte chemische Veränderungen an den Carbenen und theoretische Simulationen. Das Team zeigte: Die verwendeten Carbene ("N-heterocyclische Carbene") gehen zwar eine feste chemische Verbindung mit einzelnen Atomen aus der Goldoberfläche ein. Sie lösen diese Gold-Atome aber heraus und gleiten auf ihnen über die Oberfläche. "Durch die Bindungskräfte der Gold-Atome untereinander bleiben die 'Jockey-Carbene' auf der Oberfläche, sind aber auf ihr mobil und lagern sich zu geordneten Filmen zusammen. Das Prinzip ist ähnlich wie bei einer Vorhangschiene: Die Vorhangröllchen können sich zwar entlang der Schiene bewegen, können sich aber nicht von ihr lösen", veranschaulicht Harald Fuchs.
Die Forscher hoffen, dass ihre Entdeckung in Zukunft technisch nutzbar ist. Sie könnte beispielsweise helfen, verbesserte Elektroden zu entwickeln oder chemische Katalysatoren zu optimieren, was für die Industrie wichtig ist. Die Arbeiten wurden unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und dem Fonds der Chemischen Industrie.
Originalveröffentlichung
Gaoqiang Wang, Andreas Rühling, Saeed Amirjalayer, Marek Knor, Johannes Bruno Ernst, Christian Richter, Hong-Jun Gao, Alexander Timmer, Hong-Ying Gao, Nikos L. Doltsinis, Frank Glorius und Harald Fuchs; "Ballbot-type motion of N-heterocyclic carbenes on gold surfaces"; Nature Chemistry Advance Online Publication; 2016
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