Puzzeln mit Molekülen

Bisher fehlt das Grundlagenwissen, um diese Moleküle kontrolliert auf den Flächen zu platzieren. Dieses Wissen bereitzustellen – das ist das Ziel der an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) neu eingerichteten Forschergruppe „funCOS“. Die DFG hat den Wissenschaftlern unter der Leitung von Prof. Dr. Jörg Libuda, Lehrstuhl für Chemie und Pharmazie, nun grünes Licht gegeben.

Für die Herstellung von organischen Solarzellen oder elektronischen Bauelementen haben sich Wissenschaftler die Natur als Vorbild genommen: Dort übernehmen Moleküle wichtige Funktionen – wie beispielsweise die sogenannten Porphyrine, die bei der pflanzlichen Photosynthese das Sonnenlicht einfangen und die so gewonnene Energie umwandeln und weiterleiten. In organischen Solarzellen sollen die Porphyrine nun dasselbe tun.

Damit am Ende Strom produziert wird, müssen die Moleküle jedoch auf Trägerflächen aufgetragen werden. Dazu geben die Wissenschaftler die Moleküle in ein Lösungsmittel, tauchen den Träger in die Lösung – „und dann hofft man, dass möglichst viele Moleküle gut geordnet auf der Oberfläche kleben bleiben“, erklärt funCOS-Sprecher Prof. Jörg Libuda. Noch sind Wissenschaftler auf den Zufall angewiesen: Wie viele Moleküle an die Oberfläche binden, welche chemischen Bindungen sie eingehen und welche chemischen Reaktionen sie auslösen – darüber haben die Forscher bisher keine Kontrolle.

Für die Funktion der Technologien, wie in diesem Beispiel die organischen Solarzellen, ist die Anordnung der Moleküle jedoch von höchster Bedeutung: Sind sie falsch oder unregelmäßig auf der Oberfläche platziert, treten Fehlfunktionen auf.

Hier setzt die Forschergruppe FOR 1878 „funCOS – Functional Molecular Structures on Complex Oxide Surfaces“ an: 15 Arbeitsgruppen der FAU untersuchen die Bereiche in denen Moleküle und Trägerflächen aufeinander treffen – sogenannte Molekül-Oxid-Grenzflächen. „Wir wollen Kontrolle über die Moleküle erlangen, um ihnen bestimmte Funktionen zu entlocken, wie zum Beispiel Sonnenlicht einzufangen“, fasst Libuda das Projekt kurz zusammen. Ziel ist, die Forschungsergebnisse in einer Art Baukastensystem zusammenzuführen, um maßgeschneiderte und funktionale Molekül-Oxid-Grenzflächen herstellen zu können.

Ein ehrgeiziges Unterfangen: Die Wissenschaftler müssen die Moleküle jeweils auf ganz verschiedenen Trägerflächen ausprobieren und sie dann auf unterschiedliche Eigenschaften hin überprüfen. Um ideale Testbedingungen zu erhalten, verwenden die Wissenschaftler vereinfachte Modelle. „Wir müssen den Versuchsaufbau bis hin zum kleinsten Atom genauestens kontrollieren können. Daher verwenden wir nur Oberflächen, von denen wir genau wissen, wo welches Atom sitzt“, erklärt Libuda den Ansatz der Forscher. Die Wissenschaftler der Naturwissenschaftlichen und der Technischen Fakultät erforschen dabei nicht nur unterschiedliche Moleküle und Trägerflächen – sie untersuchen auch unterschiedliche Aspekte ihrer Eigenschaften. „Wenn man durch ein Mikroskop sieht, erkennt man das Molekül als Hügelchen. Man erkennt dann zwar genau, wo es auf der Oberfläche sitzt, ein Blick durch das Mikroskop sagt einem aber noch nichts über die chemischen Bindungen. Daran arbeitet dann eine andere Gruppe“, beschreibt Libuda das Vorgehen.

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Jörg Libuda
Tel.: 09131/85-27308
joerg.libuda@fau.de