Om in de toekomst kleine elektronische geheugens of sensoren te produceren, het is essentieel om individuele metaalatomen op een isolerende laag te kunnen rangschikken. Wetenschappers van de faculteit Scheikunde van de Universiteit van Bielefeld hebben nu aangetoond dat dit mogelijk is bij kamertemperatuur:moleculen van de metaalhoudende verbinding molybdeenacetaat vormen een geordende structuur op de isolator calciet zonder naar andere posities te springen of te draaien. Hun bevindingen zijn gepresenteerd in de Natuurcommunicatie logboek. Het werk is gedaan in samenwerking met onderzoekers van de universiteiten van Kaiserslautern, Lincoln (VK) en Mainz.

"Tot nu, het was moeilijk om metaalatomen op een isolatoroppervlak te rangschikken. Het is gemakkelijker op een metalen oppervlak, maar dat heeft niet veel zin voor gebruik in elektronische componenten, " zegt professor dr. Angelika Kühnle, die aan het hoofd staat van de werkgroep Fysische Chemie I van de faculteit Scheikunde. "Dat is het bijzondere aan ons onderzoek:we hebben een manier gevonden om metaalatomen op isolatoren in een roosterachtige structuur te rangschikken." Isolatoren zijn materialen waarin elektronen niet vrij kunnen bewegen en zijn daarom zeer slechte geleiders van elektriciteit.

De moeilijkheid zit hem in het stevig verankeren van metaalatomen, zelfs bij kamertemperatuur - zonder dat ze elkaar aantrekken, springen naar andere posities of draaien. Tot nu, wetenschappers zijn erin geslaagd om bij zeer lage temperaturen kleine moleculen op isolatoren te rangschikken, maar bij kamertemperatuur waren ze te mobiel. Grotere moleculen losten het mobiliteitsprobleem op, maar vormden snel clusters.

Voor hun onderzoek hebben Kühnle en haar werkgroep gebruikten molybdeenacetaat, een verbinding die elk twee atomen van het metaalmolybdeen bevat. Het feit dat deze verbinding interessante structurele eigenschappen vertoont op een gouden oppervlak was eerder ontdekt door een onderzoeksteam van de Technische Universiteit van Kaiserslautern. "Als nu molybdeenacetaat wordt aangebracht op een calcietoppervlak, de moleculen vormen een geordende structuur. Dit betekent dat de molybdeenatomen ook in een geordende reeks zijn gerangschikt, " zegt Dr. Simon Aeschlimann, die onderzoek deed in de groep van Kühnle en hoofdauteur is van de gepubliceerde studie. "Door middel van verschillende experimenten en simulaties, we konden aantonen dat de molybdeenacetaatmoleculen niet springen of roteren, ze vormen ook geen clusters. Ze zijn stevig verankerd op het calcietoppervlak."

De wetenschappers voerden de experimenten uit met behulp van een atoomkrachtmicroscoop. "Bij atoomkrachtmicroscopie, een kleine naald scant het oppervlak van materialen - zoals een platenspeler, behalve dat de naald het oppervlak niet rechtstreeks raakt, maar wordt afgebogen door atoomkrachten. Hierdoor ontstaat dan een beeld van de oppervlaktestructuur, " zegt Aeschlimann. De wetenschappers onderzochten, bijvoorbeeld, waar de molybdeenacetaatmoleculen zich op het calcietoppervlak bevinden en in welke richting ze zich uitlijnen.

De geordende structuur ontstaat doordat de molybdeenacetaatmoleculen zich precies uitlijnen met de ladingsverdeling op het calcietoppervlak. Calciet bestaat uit calcium- en carbonaatbouwstenen die een regelmatige roosterstructuur vormen. "Elk molybdeenacetaatmolecuul past alleen op een zeer specifieke plaats op het calcietoppervlak en heeft tegelijkertijd geen interactie met zijn naburige molybdeenacetaatmoleculen. Dat betekent dat het stevig verankerd is, ’ zegt Kuhnle.

Als wetenschapper die zich bezighoudt met puur onderzoek, Kühnle is geïnteresseerd in de vraag hoe moleculaire structuren zich vormen op oppervlakken of grensvlakken. Maar de resultaten zijn ook relevant voor elektronische toepassingen:als, bijvoorbeeld, magnetische metalen kunnen volgens hetzelfde principe worden gerangschikt, dit zou in nanotechnologie kunnen worden gebruikt om gegevensopslag te produceren, d.w.z. herinneringen die slechts een paar miljoenste van een millimeter groot zijn. Andere mogelijke toepassingsgebieden zijn optische of chemische sensoren.