De nieuwste generaties computerchips zijn slechts enkele nanometers groot en worden door voortschrijdende miniaturisering steeds energiezuiniger en krachtiger. Omdat de etsprocessen die traditioneel worden gebruikt bij de chipproductie steeds meer hun grenzen bereiken, de ontwikkeling van nieuwe, nanogestructureerde halfgeleidermaterialen zijn essentieel. Dergelijke nanohalfgeleiders spelen ook een centrale rol bij het omzetten van elektriciteit in licht en vice versa.

Een team van de Goethe-universiteit in Frankfurt onder leiding van Matthias Wagner is er nu in geslaagd moleculaire nano-"bollen" te synthetiseren, gemaakt van 20 siliciumatomen, zogenaamde silafulleranen. De tweede nieuwe klasse materialen zijn kristalbouwstenen gemaakt van 10 silicium- en germaniumatomen met een diamantachtige structuur. Doorslaggevende inzichten in de elektronische structuren van de nieuwe verbindingen werden geleverd door computergebaseerde theoretische analyses van de onderzoeksgroep van Stefan Grimme in Bonn.

De 20 siliciumatomen van silafulleraan vormen een dodecaëder, een lichaam bestaande uit regelmatige vijfhoeken. Het kapselt een chloride-ion in. Bij elke siliciumhoek van het lichaam steekt een waterstofatoom naar buiten. Promovendus Marcel Bamberg, die het molecuul heeft gesynthetiseerd, legt uit:"Ons silafulleraan is de lang gezochte stamvader van deze nieuwe klasse stoffen. De waterstofatomen kunnen gemakkelijk worden vervangen door functionele groepen, waardoor het silafulleraan verschillende eigenschappen krijgt." De Bonn-kwantumchemicus Markus Bursch voegt eraan toe:"We ondersteunen de gerichte generatie van potentieel bruikbare eigenschappen met theoretische voorspellingen van hun resulterende effecten."

Het silicium-germanium-adamantaan vormt de bouwsteen van een gemengde silicium-germaniumlegering. Benedikt Köstler, die de verbindingen ontwikkelt als onderdeel van zijn proefschrift, zegt dat "recente studies hebben aangetoond dat silicium-germaniumlegeringen superieur zijn aan pure siliciumhalfgeleiders in belangrijke toepassingsgebieden. de productie van dergelijke legeringen is erg moeilijk en je krijgt vaak mengsels van verschillende samenstellingen. We zijn erin geslaagd een eenvoudig synthesepad te ontwikkelen voor de basisbouwsteen van silicium-germaniumlegeringen. Ons silicium-germanium-adamantaan maakt het daarom mogelijk om belangrijke chemische en fysische eigenschappen van silicium-germaniumlegeringen op het moleculaire model te onderzoeken. We willen het in de toekomst ook gebruiken om silicium-germaniumlegeringen met foutloze kristalstructuren te produceren."

Koolstof, die chemisch sterk lijkt op de elementen silicium en germanium, komt in vergelijkbare vormen voor als de twee nieuwe klassen van stoffen:holle bollen van koolstofatomen ("fullerenen") komen overeen met silafulleranen, en diamanten bestaande uit koolstof zijn samengesteld uit adamantaan-subeenheden. Onder andere, fullerenen verhogen de efficiëntie van organische zonnecellen, zou de batterijen van elektrische auto's veiliger kunnen maken, en beloven vooruitgang in supergeleiding bij hoge temperaturen. Nanodiamanten hebben ook een breed scala aan toepassingen, van geneesmiddelen tot katalyseonderzoek.

Tegen deze achtergrond, de onderzoekers in Frankfurt en Bonn zijn verheugd om te zien in welke velden hun silafulleranen en siliciumgermanium-adamantanen zich zullen vestigen. Matthias Wagner zegt:"Het is al mogelijk om licht in alle kleuren van het zichtbare spectrum te genereren met nanogestructureerd silicium en germanium in de vorm van kwantumstippen, en dit wordt getest voor beeldschermen van computers en mobiele telefoons, ook in de telecommunicatie. Naast het chemisch-technische potentieel, Ik ben persoonlijk gefascineerd door de hoge symmetrie van onze verbindingen:bijvoorbeeld, onze silafulleraan is een van de vijf platonische lichamen en bezit een tijdloze schoonheid."