Tessellation-patronen die wiskundigen hebben gefascineerd sinds Johannes Kepler 400 jaar geleden hun systematiek uitwerkte - en die meer recentelijk de aandacht hebben getrokken van zowel kunstenaars als kristallografen - zijn nu te zien in het laboratorium. Ze kregen eerst vorm op een oppervlak dat perfecter tweedimensionaal was dan welk vel schrijfpapier dan ook, een enkele laag atomen en moleculen bovenop een atomair glad substraat. Natuurkundigen hebben deze zogenaamde Kepler-tegels "op de pagina" gelokt door middel van begeleide zelfassemblage van nanostructuren.

De experimenten werden uitgevoerd door postdoctoraal onderzoeker David Ecija, Promovendus Jose Ignacio Urgel en collega's van de afdeling Natuurkunde van de Technische Universitaet Muenchen (TUM), in samenwerking met wetenschappers in Karlsruhe en Zürich. Ze rapporteerden hun bevindingen in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Resultaten openen een nieuwe onderzoekslijn

Organische moleculen uitgerust met functionele groepen om verschillende bindingen met metaalatomen tot expressie te brengen, werden onder vacuümomstandigheden op een glad zilversubstraat afgezet. Vervolgens werd de organische laag op dit platform blootgesteld aan een atomaire flux van het lanthanidecerium. Bij een bepaalde verhouding van ceriumatomen tot moleculen, zelfassemblage produceerde een symmetrisch complex 2-D-patroon dat oorspronkelijk door Kepler werd beschreven en tegenwoordig bekend staat als de stompe vierkante tegels. Duidelijk herkenbaar door middel van scanning tunneling microscopie was een terugkerend, verbindingselement met vijf hoekpunten van minder dan één nanometer breed, een cerium-ligand coördinatie-eenheid.

Dat het stompe vierkante tegelpatroon nooit op moleculair niveau was gefabriceerd en gezien door gebruik te maken van zelfassemblageprotocollen, was op zich interessant. Verder dan dat, leggen de natuurkundigen uit, elke nieuwe oppervlaktearchitectuur zou de weg kunnen openen naar nieuwe natuurkunde en scheikunde, en tot nu toe zijn structuren met vijf hoekpunten ongrijpbaar gebleken. Vooral, het feit dat het lanthanide-element cerium zo'n sleutelrol speelde, markeert dit als het begin van een nieuwe onderzoekslijn.

Dit is de eerste keer dat de TUM-onderzoekers - leden van Prof. Johannes Barth's Institute for Molecular Nanoscience and Chemical Physics of Interfaces - moleculen hebben gecoördineerd met een lanthanide, en de eerste keer dat iemand dit in 2D heeft gedaan. "En lanthaniden zijn speciaal, " legt David Ecija uit. "Ze hebben zeer intrigerende optische, magnetisch, en chemische eigenschappen die interessant kunnen zijn voor nanowetenschap, en mogelijk ook voor nanotechnologie. Nu hebben we een nieuwe speelplaats voor onderzoek met de lanthaniden, en verder."