Material som galliumarsenid är extremt viktiga för tillverkning av elektroniska apparater. Eftersom utbudet av det är begränsat, eller så kan de utgöra hälso- och miljörisker, specialister letar efter alternativa material. Så kallade konjugerade polymerer är kandidater. Dessa organiska makromolekyler har halvledaregenskaper, dvs de kan leda el under vissa förutsättningar. Ett möjligt sätt att producera dem i den önskade tvådimensionella, dvs. extremt platt form presenteras av ytkemi, ett forskningsområde etablerat 2007.

Sedan dess, många reaktioner har utvecklats och intressanta material tagits fram för möjliga tillämpningar. De flesta av reaktionerna är baserade på bildandet av kol-kol-bindningar. Ett team bestående av olika arbetsgrupper från avdelningarna för kemi och fysik vid universitetet i Münster (Tyskland) har nu använt kisel-kiselbindningsbildning för att konstruera en polymer – en premiär inom ytkemi.

Tidigare, ett hinder hade varit sammanlänkningen av kiselatomer. Att konstruera polymerer på detta sätt med traditionell syntetisk kemi, dvs i en lösning, är komplicerat. Att de nu är de första som har lyckats ta fram en kiselpolymer är något Münsterforskarna har att tacka för de möjligheter som ytkemin erbjuder. Tricket var följande:Länkningen av atomerna sker på en extremt slät metallyta, på vilken molekylerna ångavsätts. Detta ger mycket tunna materialskikt. Om det vanliga kolet ersätts med kisel, långa polymerer kan erhållas, även vid milda reaktionsförhållanden. Från kiselpolymerer, forskarna hoppas på innovativa materialegenskaper och nya, lovande kandidater för potentiella ansökningar. Resultaten av studien har publicerats i tidskriften Naturkemi .

Metodik

Ett team av kemister ledda av prof. Armido Studer producerade molekyler som bestod av silylgrupper sammankopplade med hjälp av en så kallad organisk länk. Fysiker från teamet ledd av prof. Harald Fuchs undersökte deras reaktivitet på metallytor (guld eller koppar). De visade att reaktionen av kisel-vätebindningarna inom silylgrupperna inträffade vid rumstemperatur, medan en liknande koppling av kol-kolbindningar normalt kräver temperaturer över 300 grader Celsius. I nästa steg, forskarna klargjorde den exakta strukturen av de bildade länkarna:Två väteatomer avlägsnas från varje kiselatom för att skapa strukturerna av hög ordning. Mer detaljerade analyser visade dessutom en bindning av kiselatomerna till metallytan.

Eftersom strukturen av den slutliga polymeren inte kunde klargöras helt med hjälp av sedvanlig scanning-tunneling mikroskopi (STM), ett team ledd av kemisten prof. Johannes Neugebauer använde beräkningskemiska metoder för detta ändamål och simulerade STM-bilderna av olika potentiella produkter. För att ge ytterligare stöd för att karakterisera produkten, ett team ledd av fysikern Dr. Harry Mönig använde en metod speciellt avsedd för dessa frågor baserad på atomkraftsmikroskopi. Denna metod gjorde det möjligt att inte bara avbilda hela produkten, men också att lokalisera väteatomerna med drastiskt ökad upplösning. Johannes Neugebauers team lyckades också utveckla en mekanistisk modell och simulera de nödvändiga reaktionsstegen för att bilda den hittade produkten.

Bidrag från olika vinklar

"Egenskaperna hos polymererna skulle kunna undersökas i framtida studier med avseende på deras elektriska ledningsförmåga, " säger kemisten Dr. Henning Klaasen. "Också, den molekylära designen kan varieras för att anpassa egenskaperna för en tillämpning av materialen som organiska halvledare." Och Lacheng Liu, en Ph.D. student i fysik, lägger till, "Dessutom, denna metod skulle kunna användas för att utveckla en helt ny strategi för molekylära förändringar av funktionalisering av ytor och nanopartiklar."

I framtiden, teamet planerar att mer i detalj undersöka ytkemin hos nya kiselhaltiga funktionella grupper och siktar också på att introducera ytterligare funktionella grupper. "Vi har visat att inte bara kol kan användas för att skapa fascinerande strukturer. De olika bidragen från olika vinklar - av kemister och fysiker, av människor med ett teoretiskt förhållningssätt, av andra med ett praktiskt förhållningssätt – allt krävde en hög grad av kreativitet. Detta gjorde det möjligt för oss att utforska en ny väg i bindningsbildningsreaktioner inom ytkemi, sa Melanie Wittler, en Ph.D. student i kemi.