SFB 658: Elementarprozesse in molekularen Schaltern auf Oberflächen
Chemie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Spätestens seit der Verleihung des Nobelpreises für Chemie im Jahr 2016 für das Design und die Synthese molekularer Maschinen an Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart und Ben Feringa sind molekulare Schalter auch der breiten Öffentlichkeit bekannt. Schaltermoleküle ändern unter dem Einfluss eines externen Stimulus ihre Konformation bzw. Konfiguration und können im Wechselspiel mit ihrer Umgebung komplexe Funktionen auf kürzesten Längenskalen und mit höchster Reproduzierbarkeit ausführen. In der Natur beruht beispielsweise der Sehprozess auf der Isomerisierung eines Moleküls, des Retinal, zwischen mikroskopisch unterschiedlichen cis- und trans-Zuständen. Der Sonderforschungsbereich 658 „Elementarprozesse in molekularen Schaltern an Oberflächen“ hatte es sich zur Aufgabe gemacht, molekulare Schalter an Oberflächen zu verankern und dadurch neue Wege zur Kontrolle ihrer funktionellen Eigenschaften zu beschreiten. Eine zentrale Herausforderung bestand darin, dass die Schalteigenschaften durch die Oberfläche erheblich modifiziert werden bis hin zum Unterdrücken des Schaltvorgangs. Daher wurden Strategien entwickelt, die Kopplung der Schaltermoleküle an die Oberfläche zu optimieren. So wurden neue Schaltermoleküle mit verschiedenen Abstandshaltern synthetisiert, die es erlauben, die Wechselwirkung zwischen Molekül und Oberfläche in planarer oder vertikaler Adsorptionsgeometrie gezielt einzustellen. Durch die intensive Kooperation von Synthesechemie und Oberflächenphysik konnte eine Vielzahl von Schaltprozessen auf Oberflächen realisiert werden. Dazu gehören trans-cis-Isomerisierungs-, Tautomerisierungs- und Ringöffnung/Ringschluss-Schaltprozesse sowie das Schalten magnetischer Moleküle angekoppelt sowohl an Metall- und Halbleiteroberflächen, als auch an Graphen und Kohlenstoffnanoröhren. Nach dem Überwinden nicht unerheblicher experimenteller Schwierigkeiten, ist das Schalten an Oberflächen heute Routine. So konnten die dem Schaltvorgang zu Grunde liegenden Elementarprozesse am Einzelmolekül und im Ensemble durch die intensive Zusammenarbeit von Experiment und Theorie im Detail analysiert und optimiert werden. Manipulation auf atomarer Ebene erlaubte spezifische Geometrien herzustellen, dabei Moleküle auf der Oberfläche zu stabilisieren und nicht nur vertikal, sondern auch lateral zu kontaktieren. Unter anderem gelang die Entwicklung eines Einzelmolekültransistors. Über Selbstorganisation wurden molekulare Schichten hergestellt, deren optische und elektrische Eigenschaften durch Licht extrem effektiv und ermüdungsarm geschaltet werden können. In Netzwerken molekularer Schalter wurde Verstärkung durch Kooperativität erzielt. Der Spinzustand magnetischer Moleküle konnte durch die Kopplung an das Substrat stabilisiert und geschaltet werden. Darüber hinaus konnten die physikalischchemischen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren wie Löslichkeit, Biokompatibilität, Lichtemission und Ladungsträgerdichte durch Schaltprozesse manipuliert werden. Entscheidend für den Erfolg des Sfb 658 war die über alle Förderperioden bestehende intensive fachübergreifende Zusammenarbeit der Teilprojekte. Von den insgesamt ca. 430 Veröffentlichungen in referierten Zeitschriften wurden mehr als 25 % von zwei oder mehr Teilprojekten gemeinsam publiziert. Die Attraktivität und Tragfähigkeit des Forschungsthemas wird auch durch die Wegberufung von 7 Teilprojektleitenden belegt. Wir sind stolz auf 85 abgeschlossene Promotionen, die die Qualifizierung unserer Studierenden auf einem hochaktuellen Forschungsgebiet belegen. Mit 5 strategischen Berufungen hat der Sfb zur Weiterentwicklung des Fokus Area Nanoscale an der Freie Universität Berlin maßgeblich beigetragen und die Berliner Forschungslandschaft nachhaltig mitgeprägt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Electric Field-Induced Isomerization of Azobenzene by STM, J. Am. Chem. Soc. 128, 14446 (2006)
M. Alemani, M. V. Peters, S. Hecht, K.-H. Rieder, F. Moresco, L. Grill
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/ja065449s) - Substrate-induced magnetic ordering and switching of iron porphyrin molecules, Nat. Mater. 6, 516 (2007)
H. Wende, M. Bernien, J. Luo, C. Sorg, N. Ponpandian, J. Kurde, J. Miguel, M. Piantek, X. Xu, Ph. Eckhold, W. Kuch, K. Baberschke, P. M. Panchmatia, B. Sanyal, P. M. Oppeneer, O. Eriksson
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nmat1932) - Excitation mechanism in the photoisomerization of a surface-bound azobenzene derivative: Role of the metallic substrate, J. Chem. Phys. 129, 164102 (2008)
S. Hagen, P. Kate, F. Leyssner, D. Nandi, M. Wolf, P. Tegeder
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.2997343) - Spatial periodicity in molecular switching, Nat. Nanotechnol. 3, 649 (2008)
C. Dri, M. V. Peters, J. Schwarz, S. Hecht, L. Grill
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nnano.2008.269) - Franck-Condon blockade in suspended carbon nanotube quantum dots, Nature Phys. 5, 327 (2009)
R. Leturcq, C. Stampfer, K. Inderbitzin, L. Durrer, C. Hierold, E. Mariani, M.G. Schultz, F. von Oppen, and K. Ensslin
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M. Piantek, G. Schulze, M. Koch, K. J. Franke, F. Leyssner, A. Krüger, C. Navío, J. Miguel, M. Bernien, M. Wolf, W. Kuch, P. Tegeder, J. I. Pascual
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M. Bernien, J. Miguel, C. Weis, Md. E. Ali, J. Kurde, B. Krumme, P. M. Panchmatia, B. Sanyal, M. Piantek, P. Srivastava, K. Baberschke, P. M. Oppeneer, O. Eriksson, W. Kuch, H. Wende
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J. Mielke, F. Leyssner, M. Koch, S. Meyer, Y. Luo, S. Selvanathan, R. Haag, P. Tegeder, L. Grill
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D. Bléger, T. Liebig, R. Thiermann, M. Maskos, J. P. Rabe, S. Hecht
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E. Malic, C. Weber, M. Richter, V. Atalla, T. Klamroth, P. Saalfrank, S. Reich, A. Knorr
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.106.097401) - US Application 13/044,459, (filed 09.03.2011), PCT/EP 2012/053562 (filed 01.03.2012), WO/2012/119924 (published 13.09.2012), Method of analyzing a substance
A. Kalachev, N. Severin, J.P. Rabe
- Controlled reversible debundling of single-walled carbon nanotubes by photo-switchable dendritic surfactants, Nanoscale 4, 3029 (2012)
C. Kördel, A. Setaro, P. Bluemmel, C.S. Popeney, S. Reich, R. Haag
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C. Nacci, S. C. Erwin, K. Kanisawa, S. Fölsch
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C. Lotze, M. Corso, K. J. Franke, F. von Oppen, J.I. Pascual
(Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.1227621) - Energy Transfer in Nanotube-Perylene Complexes, Adv. Funct. Mater. 22, 3921 (2012)
F. Ernst, T. Heek, A. Setaro, R. Haag, S. Reich
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adfm.201200784) - Ferromagnetic coupling of mononuclear Fe centers in a self-assembled metal organic network on Au(111), Phys. Rev. Lett. 109, 267207 (2012)
T. R. Umbach, M. Bernien, C. F. Hermanns, A. Krüger, V. Sessi, I. Fernández-Torrente, P. Stoll, J. I. Pascual, K. J. Franke, W. Kuch
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.109.267207) - Gating the charge state of a single molecule by local fields, Phys. Rev. Lett. 108, 036801 (2012)
I. Fernandez-Torrente, D. Kreikemeyer-Lorenzo, A. Strozecka, K. J. Franke, J. I. Pascual
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.108.036801) - Induction of a photostationary ring-opening-ring-closing state of spiropyran monolayers on the semimetallic Bi(110) surface, Phys. Rev. Lett. 109, 026102 (2012)
G. Schulze, K. J. Franke, J. I. Pascual
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.109.026102) - Non-Covalent Functionalization of Individual Nanotubes with Spiropyran-Based Molecular Switches, Adv. Funct. Mater. 22, 2425 (2012)
A. Setaro, P. Bluemmel, C. Maity, S. Hecht, S. Reich
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/adfm.201102451) - o-Fluoroazobenzenes as Readily Synthesized Photoswitches Offering Nearly Quantitative Two-Way Isomerization with Visible Light, J. Am. Chem. Soc. 134, 20597 (2012)
D. Bléger, J. Schwarz, A. M. Brouwer, S. Hecht
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Orgiu, N. Crivillers, M. Herder, L. Grubert, M, Pätzel, J. Frisch, E. Pavlica, D. T. Duong, G. Bratina, A. Salleo, N. Koch, S. Hecht, P. Samorì
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A. Stróżecka, M. Soriano, J. I. Pascual, J. J. Palacios
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/physrevlett.109.147202) - Coverage- and Temperature-Controlled Isomerization of an Imine Derivative on Au(111), J. Am. Chem. Soc. 135 4273 (2013)
C. Gahl, D. Brete, F. Leyssner, M. Koch, E. R. McNellis, J. Mielke, R. Carley, L. Grill, K. Reuter, P. Tegeder, M. Weinelt
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B. W. Heinrich, L. Braun, J. I. Pascual, K. J. Franke
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C. H. de Villeneuve, F. Michalik, J. N. Chazalviel, K. Rück-Braun, P. Allongue
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D. Wiedemann and A. Grohmann
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T. Kumagai, F. Hanke, S. Gawinkowski, J. Sharp, K. Kotsis, J. Waluk, M. Persson, L. Grill
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C. L. Lee, T. Liebig, S. Hecht, D. Bléger, J. P. Rabe
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/nn505325w) - Gating a single-molecule transistor with individual atoms, Nat. Phys. 11, 640 (2015)
J. Martínez-Blanco, C. Nacci, S. C. Erwin, K. Kanisawa, E. Locane, M. Thomas, F. v. Oppen, P. W. Brouwer, S. Fölsch
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nphys3385) - Highly efficient thermal and light-induced spinstate switching of an Fe(II) complex in direct contact with a solid surface, ACS Nano 9, 8960 (2015)
M. Bernien, H. Naggert, L. M. Arruda, L. Kipgen, F. Nickel, J. Miguel, C. F. Hermanns, A. Krüger, D. Krüger, E. Schierle, E. Weschke, F. Tuczek, W. Kuch
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acsnano.5b02840) - Surface-Induced Selection During in Situ Photoswitching at the Liquid-Solid Interface, Angew. Chem. Int. Ed. 54, 4865 (2015)
S. Bonacchi, M. El Garah, A. Ciesielski, M. Herder, S. Conti, M. Cecchini, S. Hecht and P. Samorì
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/anie.201412215) - Tuning the Magnetic Anisotropy of Single Molecules, Nano Letters 15, 4024 (2015)
B. W. Heinrich, L. Braun, J. I. Pascual, K. J. Franke
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b00987) - Cooperative Switching in Nanofibers of Azobenzene Oligomers, Scientific Reports 6, 25605 (2016)
C. Weber, T. Liebig, M.Gensler, A, Zykov, L, Pithan, J. P. Rabe, S. Hecht, D. Bléger, S. Kowarik
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/srep25605) - Flexible non-volatile optical memory thin-film transistor device with over 256 distinct levels based on an organic bicomponent blend, Nat. Nanotech. 11, 769 (2016)
T. Leydecker, M. Herder, E. Pavlica, G. Bratina, S. Hecht, E. Orgiu and P. Samorì
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nnano.2016.87) - Sensitized Two-NIR- Photon Z → E Isomerization of a Visible-Light-Addressable Bistable Azobenzene Derivative, Angew. Chem. Int. Ed. 55, 1544 (2016)
J. Moreno, M. Gerecke, L. Grubert, S. Kovalenko, S. Hecht
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/anie.201509111) - Visualizing the Role of Molecular Orbitals in Charge Transport through Individual Diarylethene Isomers, ACS Nano 10, 10555 (2016)
G. Reecht, C. Lotze, D. Sysoiev, T. Huhn, K. J. Franke
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acsnano.6b06559) - Electrocatalytic Z→E Isomerization of Azobenzenes, J. Am. Chem. Soc. 139, 335 (2017)
A. Goulet-Hanssens, M. Utecht, D. Mutruc, E. Titov, J. Schwarz, L. Grubert, D. Bléger, P. Saalfrank, S. Hecht
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/jacs.6b10822) - Patent No. 16194861.7-1554, A method and a sensor for detecting the presence of molecules with a dipole moment
M. Feierabend, G. Berghäuser, A. Knorr and E. Malic
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A. Setaro, M. Adeli, M. Glaeske, D. Przyrembel, T. Bisswanger, G. Gordeev, F. Maschietto, A. Faghani, B. Paulus, M. Weinelt, R. Arenal, R. Haag, S. Reich
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms14281) - Proposal for dark exciton based chemical sensors, Nat. Commun. 8, 14776 (2017)
M. Feierabend, G. Berghäuser, A. Knorr, E. Malic
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms14776)
