Materialen zoals galliumarsenide zijn uiterst belangrijk voor de productie van elektronische apparaten. Omdat de voorraad ervan beperkt is, of ze kunnen gezondheids- en milieurisico's opleveren, specialisten zoeken naar alternatieve materialen. Zogenaamde geconjugeerde polymeren zijn kandidaten. Deze organische macromoleculen hebben halfgeleidereigenschappen, d.w.z. ze kunnen onder bepaalde omstandigheden elektriciteit geleiden. Een mogelijke manier om ze in de gewenste tweedimensionale te produceren, d.w.z. extreem platte vorm wordt gepresenteerd door oppervlaktechemie, een onderzoeksgebied opgericht in 2007.

Vanaf dat moment, er zijn veel reacties ontwikkeld en interessante materialen geproduceerd voor mogelijke toepassingen. De meeste reacties zijn gebaseerd op de vorming van koolstof-koolstofbindingen. Een team bestaande uit verschillende werkgroepen van de afdelingen Scheikunde en Natuurkunde van de Universiteit van Münster (Duitsland) heeft nu de vorming van silicium-siliciumbindingen gebruikt om een ​​polymeer te construeren - een primeur in oppervlaktechemie.

Eerder, een obstakel was de koppeling van siliciumatomen geweest. Op deze manier polymeren construeren met behulp van traditionele synthetische chemie, d.w.z. in een oplossing, het is ingewikkeld. Dat ze er nu als eersten in zijn geslaagd een siliciumpolymeer te produceren, hebben de Münster-onderzoekers te danken aan de mogelijkheden die de oppervlaktechemie biedt. De truc was als volgt:de koppeling van de atomen vindt plaats op een extreem glad metalen oppervlak, waarop de moleculen worden opgedampt. Hierdoor ontstaan ​​zeer dunne materiaallagen. Als de gebruikelijke koolstof wordt vervangen door silicium, lange polymeren kunnen worden verkregen, zelfs bij milde reactieomstandigheden. Van siliciumpolymeren, hopen de onderzoekers op innovatieve materiaaleigenschappen en nieuwe, veelbelovende kandidaten voor mogelijke sollicitaties. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurchemie .

Methodologie

Een team van chemici onder leiding van prof.dr. Armido Studer produceerde moleculen die bestaan ​​uit silylgroepen die verbonden zijn door middel van een zogenaamde organische linker. Natuurkundigen van het team onder leiding van prof. Harald Fuchs onderzochten hun reactiviteit op metalen oppervlakken (goud of koper). Ze toonden aan dat de reactie van de silicium-waterstofbindingen binnen de silylgroepen plaatsvond bij kamertemperatuur, terwijl een vergelijkbare koppeling van koolstof-koolstofbindingen normaal gesproken temperaturen boven 300 graden Celsius vereist. In de volgende stap, de onderzoekers verduidelijkten de exacte structuur van de gevormde verbindingen:uit elk siliciumatoom worden twee waterstofatomen verwijderd om de structuren van hoge orde te creëren. Meer gedetailleerde analyses toonden bovendien een binding van de siliciumatomen aan het metaaloppervlak.

Omdat de structuur van het uiteindelijke polymeer niet volledig kon worden opgehelderd met behulp van de gebruikelijke scanning-tunneling microscopie (STM), een team onder leiding van scheikundige prof. Johannes Neugebauer gebruikte hiervoor computationele chemische methoden en simuleerde de STM-afbeeldingen van verschillende potentiële producten. Om verdere ondersteuning te bieden bij het karakteriseren van het product, een team onder leiding van natuurkundige Dr. Harry Mönig gebruikte een methode die speciaal voor deze problemen was bedoeld, gebaseerd op atoomkrachtmicroscopie. Deze methode maakte het niet alleen mogelijk om het hele product af te beelden, maar ook om de waterstofatomen te lokaliseren met een drastisch verhoogde resolutie. Het team van Johannes Neugebauer slaagde er ook in een mechanisch model te ontwikkelen en de noodzakelijke reactiestappen te simuleren om het gevonden product te vormen.

Bijdragen vanuit verschillende hoeken

"De eigenschappen van de polymeren zouden in toekomstige studies kunnen worden onderzocht met betrekking tot hun elektrische geleidbaarheid, " zegt chemicus Dr. Henning Klaasen. "Ook, het moleculaire ontwerp zou kunnen worden gevarieerd om de eigenschappen aan te passen voor een toepassing van de materialen als organische halfgeleiders." En Lacheng Liu, een doctoraat student natuurkunde, voegt toe, "In aanvulling, deze methode zou kunnen worden gebruikt om een ​​volledig nieuwe strategie te ontwikkelen voor moleculaire veranderingen in functionalisering van oppervlakken en nanodeeltjes."

In de toekomst, het team is van plan om de oppervlaktechemie van nieuwe siliciumbevattende functionele groepen in meer detail te onderzoeken en is ook van plan om verdere functionele groepen te introduceren. "We hebben aangetoond dat niet alleen koolstof kan worden gebruikt om fascinerende structuren te creëren. De verschillende bijdragen die vanuit verschillende hoeken zijn geleverd - door chemici en natuurkundigen, door mensen met een theoretische benadering, door anderen met een praktische insteek - alles vergde een hoge mate van creativiteit. Dit stelde ons in staat om een ​​nieuw pad te verkennen in bindingsvormingsreacties in de oppervlaktechemie, " zei Melanie Witter, een doctoraat student scheikunde.