Bornitrid Nanomesh für angesteuerte Selbstorganisation

Das Bornitrid Nanomesh ist eine gewellte, ein-Atom-dicke Schicht aus Bornitrid auf metallischem Rhodium, welches die einzigartige Eigenschaft besitzt einzelne Moleküle in seinen 3.2 Nanometer voneinander separierten Poren binden zu können. In einem kürzlich errungenen Durchbruch, welcher in Nature veröffentlicht wurde, konnten wir zeigen, dass atomarer Wasserstoff zwischen Bornitridschicht und metallischem Substrat interkaliert und so die Bindungsstärke zwischen den Adsorbaten und der Oberfläche variiert werden kann. In diesem interdisziplinären Projekt zwischen Österreich und Belgien werden wir das Bornitrid Nanomesh als Plattform zur Untersuchung von Reaktivität, LichtMaterie-Wechselwirkung und schaltbarer Selbstorganisation von Molekülen an festflüssig Grenzflächen nutzen. Dies soll den Weg bereiten für die kovalente und nichtkovalente Funktionalisierung von Bornitrid, sowie für sich daraus ergebende neue Materialien für Sensoren, Nanoelektronik und lab-on-a- chip Anwendungen. Die ambitionierten Ziele werden durch ein eng vernetztes Team mit Kompetenzen in Oberflächenphysik,Elektrochemie, Reaktivität an Oberflächen, Spektroskopie und supramolekularer Chemie angestrebt.

Die Zusammensetzung und Struktur der Oberfläche eines Festkörpers haben einen starken Einfluss auf dessen physikalische und chemische Eigenschaften. Beispiele hierfür sind die Tatsache, dass Eis rutschig ist und dass bestimmte Metalle wie Platin viele chemische Reaktionen beschleunigen. Viele Details, wie dies genau funktioniert, sind jedoch noch unzureichend verstanden. Um eine umweltfreundlichere chemische Industrie und besser funktionierende Technologien zu entwickeln, ist ein viel tieferes Verständnis dieser Zusammenhänge erforderlich. Das vorliegende bilaterale Projekt zwischen Österreich und Belgien wurde von unserer Veröffentlichung in der Zeitschrift Nature aus dem Jahr 2016 inspiriert. In diesem Artikel haben wir unsere Entdeckung beschrieben, dass die Anlagerung kleiner Mengen von Wasserstoffatomen zwischen einer einzelnen Schicht aus hexagonalem Bornitrid und einem Metallträger zu dramatischen Veränderungen der Oberflächeneigenschaften führt-fast so, als ob man die bekannten wasserabweisenden Eigenschaften eines Lotusblattes per Knopfdruck ein- und ausschalten könnte. Im vorliegenden Projekt interessierte uns insbesondere, wie man die Art und Weise verändern kann, in der sich Moleküle auf einer Oberfläche organisieren. Dies kann durch äußere Einflüsse, wie beispielsweise die Spannung zwischen einem Festkörper und einer Flüssigkeit, geschehen. Hier haben wir die Anordnung der Moleküle mit einem sogenannten Rastertunnelmikroskop untersucht, welches die Visualisierung von Molekülen und sogar einzelnen Atomen ermöglicht. Eine der aufregendsten Entdeckungen des Projektes ist, dass wir einzelne Moleküle eines organischen Salzes zwischen einem "hellen" und einem "dunklen" Zustand umschalten können und dass wir diese chemischen "Bits" wie die Nullen und Einsen, auf denen die digitale Informationsspeicherung basiert, lesen, schreiben oder auch löschen können. Da jedes Molekül nur wenige Quadratnanometer an Platz benötigt - ein menschliches Haar ist etwa fünf Millionen Nanometer dick - schätzen wir die Informationsdichte auf etwa 5 Terabit pro Quadratzentimeter, und damit etwa hundertmal größer als der derzeit fortschrittlichste Industriestandard von Speichermedien. Dieses molekulare Gedächtnis funktioniert bei Raumtemperatur und unter Normaldruck und ist dabei beliebig in beide Richtungen schaltbar, was für zukünftige Anwendungen wichtig ist.