De senaste generationerna av datorchips är bara några få nanometer stora och blir allt mer energibesparande och kraftfulla som ett resultat av progressiv miniatyrisering. Eftersom de etsningsprocesser som traditionellt används i spåntillverkning alltmer når sina gränser, utvecklingen av nya, nanostrukturerade halvledarmaterial är avgörande. Sådana nanohalvledare spelar också en central roll för att omvandla elektricitet till ljus och vice versa.

Ett team vid Goethe-universitetet i Frankfurt ledd av Matthias Wagner har nu lyckats syntetisera molekylära nano-"sfärer" gjorda av 20 kiselatomer, så kallade silafulleraner. Den andra nya klassen av material är kristallbyggstenar gjorda av 10 kisel- och germaniumatomer som har en diamantliknande struktur. Avgörande insikter i de nya föreningarnas elektroniska strukturer gavs av datorbaserade teoretiska analyser från Stefan Grimmes forskargrupp i Bonn.

De 20 kiselatomerna i silafulleran bildar en dodekaeder, en kropp som består av regelbundna femhörningar. Den kapslar in en kloridjon. En väteatom sticker ut vid varje kiselhörn av kroppen. Doktorand Marcel Bamberg, vem syntetiserade molekylen, förklarar:"Vår silafulleran är den länge eftersökta stamfadern till denna nya klass av ämnen. Väteatomerna kan lätt ersättas med funktionella grupper, vilket ger silafulleranen olika egenskaper." Kvantkemist i Bonn Markus Bursch tillägger:"Vi stödjer målinriktad generering av potentiellt användbara egenskaper med teoretiska förutsägelser om deras resulterande effekter."

Kisel-germanium-adamantan representerar byggstenen i en blandad kisel-germaniumlegering. Benedikt Köstler, som utvecklar föreningarna som en del av sin doktorsavhandling, säger att "nyare studier har visat att kisel-germanium-legeringar är överlägsna rena kiselhalvledare inom viktiga applikationsområden. tillverkningen av sådana legeringar är mycket svår och man får ofta blandningar av olika sammansättningar. Vi har lyckats utveckla en enkel syntesväg för den grundläggande byggstenen i kisel-germaniumlegeringar. Vår kisel-germanium-adamantan möjliggör därför undersökning av viktiga kemiska och fysikaliska egenskaper hos kisel-germanium-legeringar på den molekylära modellen. Vi vill också använda den i framtiden för att producera kisel-germanium-legeringar med felfria kristallstrukturer."

Kol, som är kemiskt mycket lik grundämnena kisel och germanium, förekommer i jämförbara former med de två nya ämnesklasserna:Ihåliga sfärer av kolatomer ("fullerener") motsvarar silafulleraner, och diamanter som består av kol är sammansatta av adamantan-subenheter. Bland annat, fullerener ökar effektiviteten hos organiska solceller, kan göra batterierna i elbilar säkrare, och lovar framsteg inom supraledning vid hög temperatur. Nanodiamonds har också ett brett utbud av applikationer, från läkemedel till katalysforskning.

Mot denna bakgrund, forskarna i Frankfurt och Bonn är spännande att se inom vilka områden deras silafulleraner och kisel-germanium-adamantaner kommer att etablera sig. Matthias Wagner säger:"Det är redan möjligt att generera ljus i alla färger i det synliga spektrumet med nanostrukturerat kisel och germanium i form av kvantprickar, och detta testas för dator- och mobiltelefonskärmar, såväl som inom telekommunikation. Förutom den kemisk-tekniska potentialen, Jag är personligen fascinerad av den höga symmetrin hos våra föreningar:t.ex. vår silafullerane är en av de fem platoniska fasta substanserna och har en tidlös skönhet."