Met behulp van DESY's ultraheldere röntgenbron PETRA III, onderzoekers hebben in realtime waargenomen hoe voetbalvormige koolstofmoleculen zich in ultragladde lagen rangschikken. Samen met theoretische simulaties, het onderzoek onthult voor het eerst in detail de fundamenten van dit groeiproces, zoals het team rond Sebastian Bommel (DESY en Humboldt Universität zu Berlin) en Nicola Kleppmann (Technische Universität Berlin) meldt in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie . Deze kennis zal wetenschappers uiteindelijk in staat stellen om nanostructuren van deze koolstofmoleculen op maat te maken voor bepaalde toepassingen, die een steeds grotere rol spelen op het veelbelovende gebied van plastic elektronica. Het team bestond uit wetenschappers van de Humboldt-Universität zu Berlin, Technische Universität Berlijn, Universität Tübingen en DESY.

De wetenschappers bestudeerden zogenaamde buckyballs. Buckyballs zijn bolvormige moleculen, die bestaan ​​uit 60 koolstofatomen (C ₆₀ ). Omdat ze doen denken aan de geodetische koepels van de Amerikaanse architect Richard Buckminster Fuller, ze werden buckminsterfullerenes of kortweg "buckyballs" genoemd. Met hun structuur van afwisselende vijfhoeken en zeshoeken, ze lijken ook op kleine moleculaire voetballen.

Met behulp van DESY's röntgenbron PETRA III, de onderzoekers observeerden hoe buckyballs vanuit een moleculaire damp neerslaan op een substraat. In feite, de ene laag na de andere, de koolstofmoleculen groeien voornamelijk op eilanden die slechts één molecuul hoog zijn en nauwelijks torenachtige structuren vormen. "De eerste laag is 99% compleet voordat 1% van de tweede laag is gevormd, " legt DESY-onderzoeker Bommel uit, die promoveert in de groep van prof. Stefan Kowarik aan de Humboldt Universität zu Berlin. Dit is hoe extreem gladde lagen worden gevormd.

"Om het groeiproces echt in realtime te observeren, we moesten de oppervlakken op moleculair niveau sneller meten dan een enkele laag groeit, die in ongeveer een minuut plaatsvindt, " zegt co-auteur Dr. Stephan Roth, hoofd van het P03 meetstation, waar de experimenten werden uitgevoerd. "Röntgenonderzoeken zijn zeer geschikt, omdat ze het groeiproces tot in detail kunnen volgen."

"Om de evolutie van de oppervlaktemorfologie op moleculair niveau te begrijpen, we hebben uitgebreide simulaties uitgevoerd in een niet-evenwichtssysteem. Deze beschrijven het hele groeiproces van C60-moleculen tot een roosterstructuur, " legt Kleppmann uit, Promovendus in de groep van Prof. Sabine Klapp aan het Instituut voor Theoretische Fysica, Technische Universität Berlijn. "Onze resultaten bieden fundamentele inzichten in de moleculaire groeiprocessen van een systeem dat een belangrijke schakel vormt tussen de wereld van atomen en die van colloïden."

Door de combinatie van experimentele waarnemingen en theoretische simulaties, de wetenschappers bepaalden voor het eerst drie belangrijke energieparameters tegelijk voor een dergelijk systeem:de bindingsenergie tussen de voetbalmoleculen, de zogenaamde "diffusiebarrière, " die een molecuul moet overwinnen als het op het oppervlak wil bewegen, en de Ehrlich-Schwoebel barrière, die een molecuul moet overwinnen als het op een eiland landt en van dat eiland naar beneden wil springen.

"Met deze waarden we begrijpen nu voor het eerst echt hoe zulke nanostructuren ontstaan, " benadrukt Bommel. "Met behulp van deze kennis, het is denkbaar dat deze structuren in de toekomst selectief kunnen worden gekweekt:hoe moet ik mijn temperatuur- en depositiesnelheidsparameters wijzigen zodat een eiland van een bepaalde grootte zal groeien. Dit zou kunnen, bijvoorbeeld, interessant zijn voor organische zonnecellen, die C60 bevatten." De onderzoekers zijn van plan om in de toekomst met dezelfde methoden de groei van andere moleculaire systemen te onderzoeken.