Stabiele tweedimensionale netwerken van organische moleculen zijn belangrijke componenten in verschillende nanotechnologische processen. Echter, het produceren van deze netwerken, die slechts één atoom dik zijn, in hoge kwaliteit en met de grootst mogelijke stabiliteit vormt momenteel nog een grote uitdaging. Wetenschappers van het Excellence Cluster Nanosystems Initiative München hebben nu met succes zulke netwerken gemaakt van boorzuurmoleculen. Het huidige nummer van het wetenschappelijke tijdschrift ACS Nano rapporteert over hun resultaten.

Zelfs de duurste oosterse tapijten hebben kleine fouten. Er wordt gezegd dat vrome tapijtwevers opzettelijk kleine foutjes in hun fijne tapijten opnemen, omdat alleen God het recht heeft om onbevlekt te zijn. Moleculaire tapijten, zoals de nanotechnologie-industrie ze graag zou willen hebben, lopen ze vooralsnog geen gevaar de goden voor het hoofd te stoten. Een team van natuurkundigen onder leiding van Dr. Markus Lackinger van de Technische Universität München (TUM) en professor Thomas Bein van de Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) heeft nu een proces ontwikkeld waarmee ze hoogwaardige polymeernetwerken kunnen opbouwen met behulp van boorzuur componenten.

De "tapijten" waaraan de natuurkundigen werken in hun laboratorium in het Deutsches Museum München, bestaan ​​uit geordende tweedimensionale structuren die zijn gemaakt door zelfgeorganiseerde boorzuurmoleculen op een grafietoppervlak. Door water te elimineren, de moleculen binden zich aan elkaar in een netwerk van één atoom dik dat alleen bij elkaar wordt gehouden door chemische bindingen - een feit dat dit netwerk erg stabiel maakt. De regelmatige honingraatachtige rangschikking van de moleculen resulteert in een nanogestructureerd oppervlak waarvan de poriën kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, als stabiele vormen voor de productie van metalen nanodeeltjes.

De moleculaire tapijten zijn er ook in bijna perfecte modellen; echter, deze zijn niet erg stabiel, helaas. In deze modellen zijn de bindingen tussen de moleculen erg zwak, bijvoorbeeld waterstofbruggen of van der Waals-krachten. Het voordeel van deze variant is dat tijdens het zelforganisatieproces fouten in de reguliere structuur worden hersteld – slechte bindingen worden opgelost zodat er goede bindingen kunnen ontstaan.

Echter, veel toepassingen vragen om moleculaire netwerken die mechanisch, thermisch en/of chemisch stabiel. Door de moleculen aan elkaar te koppelen door middel van sterke chemische bindingen kunnen zulke duurzame molecuultapijten ontstaan. De keerzijde is dat de onvermijdelijke weeffouten niet meer gecorrigeerd kunnen worden door de grote hechtkracht.

Markus Lackinger en zijn collega's hebben nu een manier gevonden om een ​​moleculair tapijt te maken met stabiele covalente bindingen zonder noemenswaardige weeffouten. De methode is gebaseerd op een bindingsreactie die een moleculair tapijt creëert uit individuele boorzuurmoleculen. Het is een condensatiereactie waarbij watermoleculen vrijkomen. Als de hechting plaatsvindt bij temperaturen van iets meer dan 100°C met slechts een kleine hoeveelheid water, fouten kunnen tijdens het weven worden gecorrigeerd. Het resultaat is het gewilde tovertapijt:moleculen in een stabiele en goed geordende éénlaagse structuur.

Het laboratorium van Markus Lackinger bevindt zich in het Deutsches Museum München. Daar doet hij onderzoek bij de leerstoel van prof. Wolfgang Heckl (TUM School of Education, TU München). Prof. Bein is leerstoel bij de afdeling Chemie van de LMU. Het onderzoek is uitgevoerd in samenwerking met de werkgroep van prof. Paul Knochel (LMU) en Physical Electronics GmbH, met financiering door het Excellence Cluster Nanosystems Initiative München (NIM) en de Bavarian Research Foundation (BFS).