Med hjälp av DESYs ultraljusa röntgenkälla PETRA III, forskare har observerat i realtid hur fotbollsformade kolmolekyler ordnar sig i ultrasläta lager. Tillsammans med teoretiska simuleringar, undersökningen avslöjar grunderna för denna tillväxtprocess för första gången i detalj, som teamet kring Sebastian Bommel (DESY och Humboldt Universität zu Berlin) och Nicola Kleppmann (Technische Universität Berlin) rapporterar i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation . Denna kunskap kommer så småningom att göra det möjligt för forskare att skräddarsy nanostrukturer från dessa kolmolekyler för vissa tillämpningar, som spelar en allt större roll inom det lovande området plastelektronik. Teamet bestod av forskare från Humboldt-Universität zu Berlin, Technische Universität Berlin, Universität Tübingen och DESY.

Forskarna studerade så kallade buckyballs. Buckyballs är sfäriska molekyler, som består av 60 kolatomer (C ₆₀ ). Eftersom de påminner om den amerikanske arkitekten Richard Buckminster Fullers geodetiska kupoler, de döptes till buckminsterfullerenes eller "buckyballs" för kort. Med sin struktur av alternerande pentagoner och hexagoner, de liknar också små molekylära fotbollar.

Med hjälp av DESYs röntgenkälla PETRA III, forskarna observerade hur buckyballs sätter sig på ett substrat från en molekylär ånga. Faktiskt, ett lager efter det andra, kolmolekylerna växer övervägande på öar som bara är en molekyl hög och bildar knappt tornliknande strukturer.." Det första lagret är 99% komplett innan 1% av det andra lagret bildas, " förklarar DESY-forskaren Bommel, som avlägger sin doktorsexamen i Prof. Stefan Kowariks grupp vid Humboldt Universität zu Berlin. Det är så extremt släta lager bildas.

"För att verkligen observera tillväxtprocessen i realtid, vi behövde mäta ytorna på molekylär nivå snabbare än ett enda lager växer, som äger rum om en minut, " säger medförfattaren Dr. Stephan Roth, chef för P03-mätstationen, där experimenten utfördes. "Röntgenundersökningar är väl lämpade, eftersom de kan spåra tillväxtprocessen i detalj."

"För att förstå utvecklingen av ytmorfologin på molekylär nivå, vi genomförde omfattande simuleringar i ett icke-jämviktssystem. Dessa beskriver hela tillväxtprocessen av C60-molekyler till en gitterstruktur, " förklarar Kleppmann, Doktorand i Prof. Sabine Klapps grupp vid Institutet för teoretisk fysik, Technische Universität Berlin. "Våra resultat ger grundläggande insikter i de molekylära tillväxtprocesserna i ett system som utgör en viktig länk mellan atomernas värld och kolloidernas värld."

Genom kombinationen av experimentella observationer och teoretiska simuleringar, forskarna bestämde för första gången tre stora energiparametrar samtidigt för ett sådant system:bindningsenergin mellan fotbollsmolekylerna, den så kallade "diffusionsbarriären, "som en molekyl måste övervinna om den vill röra sig på ytan, och Ehrlich-Schwoebel-barriären, som en molekyl måste övervinna om den landar på en ö och vill hoppa ner från den ön.

"Med dessa värderingar, vi förstår nu verkligen för första gången hur sådana nanostrukturer uppstår, " betonar Bommel. "Med hjälp av denna kunskap, det är tänkbart att dessa strukturer selektivt kan odlas i framtiden:Hur måste jag ändra mina temperatur- och deponeringshastighetsparametrar så att en ö av en viss storlek kommer att växa. Det här skulle kunna, till exempel, vara intressant för organiska solceller, som innehåller C60." Forskarna har för avsikt att utforska tillväxten av andra molekylära system i framtiden med samma metoder.