Technologie

Wenn der Mensch die Natur für sich arbeiten lässt.

geschrieben von Ole

Wer den Blog von Florian Freistetter verfolgt konnte dort im Februar eine äußerst interessante Serie von Blogposts zum Thema Chaos finden, in dem Artikel findet ihr auch Links zu einer früheren Serie zum Thema Chaos. In seinem letzten Blogpost der Serie geht Florian auf die Fraktale, in sich selbst identische Figuren, ein. Diese fraktalen Geometrien tauchen in den unterschiedlichsten Bereichen der Wissenschaft immer wieder auf, so auch nun in der Chemie.Wissenschaftlern aus China und Marburg ist es gelungen mit Molekülen, namentlich 4,4″-dibromo-1,1′:3′,1″-terphenyl (kurz B3PB) und 4,4‴-dibromo-1,1′:3′,1″:4″,1‴-quaterphenyl (kurz B4PB), ein Sierpinski Dreieck auf einer Silberoberfläche “zu legen”.

Struktureinheiten. Adapted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature doi:10.1038/nchem.2211, copyright 2015

Struktureinheiten, B3PB und B4PB.
Adapted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature doi:10.1038/nchem.2211, copyright 2015

Sierpinski Dreieck aus B3PB. Adapted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature doi:10.1038/nchem.2211, copyright 2015

Sierpinski Dreieck aus B3PB.
Adapted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature doi:10.1038/nchem.2211, copyright 2015

STM (Scanning Tunnel Microscopy) Aufnahme eines Sierpinski Dreieck aus B4PB. Adapted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature doi:10.1038/nchem.2211, copyright 2015

STM (Scanning Tunnel Microscopy) Aufnahme eines Sierpinski Dreieck aus B4PB.
Adapted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature doi:10.1038/nchem.2211, copyright 2015

Nun hört sich das zwar etwas unspektakulär an, denn Atome oder Moleküle auf einer Oberfläche statisch anzuordnen kann mit verschiedenen Techniken, wie zum Beispiel mit dem Missbrauch der atomic force microscopy, erreicht werden. Die oben gezeigten Bilder wurde im übrigens mit der scanning tunneling microscopy (STM) aufgenommen. Näheres zu der Variante der Elektronenmikroskopie findet ihr in der Wikipedia. Für weiteres zum Thema Elektronenmikroskopie sei der neue Blog von André Lampe empfohlen, der einen Beitrag über die TEM verfasst hat.
In den durchgeführten Experimenten hat man aber die Moleküle gar nicht manuell angeordnet, sondern die Chemie (bzw. die Physik) die Arbeit übernehmen lassen. Das mag für den ein oder anderen noch etwas kryptisch klingen, aber das Rätsel werde ich gleich lösen.
Betrachtet man zwei Moleküle, die sich in räumlicher Nähe zueinander befinden, können in vielen Fällen Kräfte zwischen diesen Molekülen beobachtet werden. Da gäbe es beispielsweise die van-der-Waals (kurz vdW) Kräfte oder die Wasserstoffbrückenbindungen. Die aufheulenden Sirenen und schlimmen Erinnerungen an den Chemieunterricht in der Schule solltet ihr jetzt einmal kurz ignorieren, denn im Grunde genommen können wir beide Phänomene ganz einfach erklären.
Die vdW-Kräfte sind Anziehungskräfte zwischen den Molekülen, deren Stärke von der Moleküloberfläche abhängig ist. Lange, unverzweigte Kohlenstoffketten ziehen sich gegenseitig auf Grund dieser Wechselwirkung an, was die makroskopischen (also die für uns sicht- und fassbaren) Eigenschaften maßgeblich beeinflusst. Je länger die linearen, gesättigten (d.h. es liegen keine Mehrfachbindungen vor) Kohlenstoffketten – Alkane im Fachjargon – werden, desto höher wird ihr Siedepunkt. So können wir Propangas (Kohlenstoffkette aus drei Kohlenstoffatomen) und flüssiges Benzin (welches primär aus n-Oktan, einem linearen Kohlenwasserstoff aus acht Kohlenstoffatomen) kaufen.
Die Wasserstoffbrückenbindungen ist ebenfalls eine anziehende Wechselwirkung zwischen einem Wasserstoffatom und einem elektronegativeren Atom. Als Faustregel könnt ihr euch merken, dass die Elektronegativität im Periodensystem von unten links nach oben rechts zunimmt.
Das sollte für die Theorie von intermolekularen Wechselwirkungen, also Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Molekülen, reichen.
Wir stehen aber immer noch vor der Frage warum sich die verwendeten Moleküle auf einer Silberoberfläche in Form eines Fraktals ablegen.
Nun im hier vorliegenden Fall sind die Wasserstoffbrückenbindungen eine der wichtigsten Wechselwirkung zwischen den Molekülen, hier auftretend zwischen den Wasserstoffatomen an den aromatischen Ringen und den Halogenatomen am aromatischen Ring in einem anderen Molekül, schaut euch die folgende Abbildung für ein besseres Verständnis an.

Darstellung der Wechselwirkungen, die die selbstassemblierte Struktur zusammenhalten. Zusehen sind zwei Enantiomere. Adapted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature doi:10.1038/nchem.2211, copyright 2015

Darstellung der Wechselwirkungen, die die selbstassemblierte Struktur zusammenhalten. Die rot gestrichelten Linien symbolisieren die Wasserstoffbrückenbindungen. Zusehen sind außerdem zwei Enantiomere.
Adapted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature doi:10.1038/nchem.2211, copyright 2015

Was jetzt noch erwähnt werden sollte ist, dass chemische Reaktionen immer den Weg in das (thermodynamische) Gleichgewicht suchen. Dieses Gleichgewicht entspricht auch immer der minimalen Energie eines Systems und der Zustand des Energieminimus ist der meist Erstrebenswerte. Würden die oben gezeigten Moleküle chaotisch auf der Silberoberfläche angeordnet sein, wäre dass kein Energieminimum. Warum? Es wurden nicht alle Möglichkeiten zur Energieminimierung wie beispielsweise die Wasserstoffbrückenbindungen ausgenutzt. Den Vorgang in dem sich Moleküle von selbst so anordnen, dass sie im energetischen Minimum liegen und dort bleiben, nennt man self-assembly (Selbstassemblierung). Es ist einfacher hier die englischen Begrifflichkeiten zu nutzen, da diese vergleichsweise scharf definiert sind. Neben der self-assembly gibt es nämlich auch noch eine dissipative self-assembly und die self-organization. Was es mit diesen Ordnungsbegrifflichkeiten auf sich hat, werde ich in einem späteren Blogpost noch mal erklären.
Wichtig ist hier nur, dass die self-assembly rein energiegetrieben ist und in einem statischen Zustand endet.
Um wieder auf das Paper sprechen zu kommen, gibt es jetzt noch eine unbeantwortete Frage. Nämlich, warum bildet sich überhaupt das Sierpinski Dreieck als Struktur aus? Nun, da ich erklärt habe, dass es sich dabei um die energetisch günstigste Anordnung des Moleküls handelt. Sollte klar sein, dass eben genau dieses Molekül oder besser, eben dieser einfache Strukturbaustein, für die übergeordnetere, hochkomplexe Struktur verantwortlich ist. Eine minimale Veränderung des Strukturbausteins (engl.: building-block) wird zu einer deutlich anderen Überstruktur führen.
Das faszinierende ist schlussendlich also, dass es den Wissenschaftlern gelungen ist unter Anwendung aller bekannten Modelle und Theorien einen Strukturbaustein zu designen, der durch die kooperativen Effekte in der Überstruktur des Sierpinski Dreiecks resultiert.
Unser Verständnis von den Effekten auf molekularer Ebene ist so gut, dass es uns möglich ist solche Überstrukturen vorherzusagen und gezielt zu beeinflussen. Dieses Verständnis ist elementar wenn es beispielsweise darum geht responsive Materialen zu entwickeln. In denen, grob gesprochen, die Ordnung extrinsisch gestört wird und sich dann durch Energiezufuhr die Ursprungsordnung wieder herstellt.

Literatur:

Shang, J., Wang, Y., Chen, M., Dai, J., Zhou, X., Kuttner, J., Hilt, G., Shao, X., Gottfried, J., & Wu, K. (2015). Assembling molecular Sierpiński triangle fractals Nature Chemistry DOI: 10.1038/nchem.2211

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