Selbstanordnungsprozesse von organischen Molekülen auf Oberflächen: Untersuchung von intermolekularen Halogenbindungen mittels hochauflösender Tieftemperatur-Rasterkraftmikroskopie

• Antragsteller: Dr. Daniel Ebeling
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448547917

Die Selbstanordnung von Molekülen auf Oberflächen ist eine sehr vielversprechende Strategie für die Herstellung von Nanostrukturen mit neuen kontrollierbaren Eigenschaften. Als Vorbild hierfür dienen vielzählige Wachstumsprozesse in der Natur, bei denen komplexe funktionale Einheiten „Molekül für Molekül“ zusammengesetzt werden. Leider sind die Molekülerkennungsmechanismen, die den Aufbau solcher Strukturen steuern, bisher weitgehend unverstanden, was die Konstruktion neuartiger Materialien mit neuen Eigenschaften erschwert. In den letzten Jahren wurden die Möglichkeiten zur Charakterisierung einzelner adsorbierter Moleküle auf Oberflächen enorm verbessert. Die Verwendung von CO-funktionalisierten AFM-Spitzen gestattet die direkte Visualisierung der chemischen Struktur einzelner Moleküle, was ein neues Mittel für die Untersuchung von molekularen Erkennungsprozessen darstellt. In diesem Projekt wird diese sogenannte Bond-Imaging-Methode eingesetzt, um intermolekulare Halogenbindungen zu untersuchen. Halogene, die kovalent an ein organisches Molekül gebunden sind, besitzen am äußeren Ende ihrer Bindungsachse eine elektrophile Region, das σ-Loch. Diese anisotrope Ladungsverteilung innerhalb der Halogens führt zu einer ausgeprägten Richtungsabhängigkeit der Halogenbindung, deren Stärke sich über die Wahl des Halogens bzw. des molekularen Rests kontrollieren lässt. Diese einzigartigen Eigenschaften machen Halogenbindungen besonders interessant für Anwendungen in den Bereichen Crystal Engineering, Supramolekulare Chemie, Medikamentenentwicklung, etc. Für Halogenbindungen auf Oberflächen existiert eine weitere Stellschraube zur Kontrolle der Bindungseigenschaften: das Oberflächenmaterial. In diesem Projekt werden wir systematisch den Einfluss verschiedener Oberflächenmaterialien auf die σ-Löcher verschiedener Halogene untersuchen. Hierfür werden mit Hilfe der Bond-Imaging-Methode Bindungsselektivitäten, Bindungslängen, Bindungswinkel und Adsorptionskonformationen von verschiedenen Modellmolekülen sowohl auf relativ inerten als auch auf relativ reaktiven Substraten bestimmt. In einem weiteren Schritt werden wir untersuchen, welche Bindungstypen für verschiedene Substratmaterialien auftreten und wie sich die Bindungsgeometrie durch die Wahl von geeigneten Oberflächen aktiv kontrollieren lässt. Die experimentellen Resultate werden durch DFT-Rechnungen ergänzt. Hiermit möchten wir zusätzliche Erkenntnisse über den Ladungstransfer zwischen Substrat und Molekül, die Ladungsverteilung innerhalb der Moleküle und die verschiedenen Anteile der Bindungsenergie (z.B. Molekül-Molekül vs. Molekül-Substrat) erlangen. Dieses Projekt soll helfen, die Natur der Halogenbindung besser zu verstehen, damit wir in Zukunft Selbstanordnungsprozesse kontrollieren und diese für die Herstellung neuartiger molekularer Strukturen mit einzigartigen Eigenschaften nutzen können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Spanien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Rubén Pérez