Forschende haben besonders lange Ketten eines elektrisch leitfähigen Kunststoffs hergestellt, der Poly(p-phenylene) (kurz PPP) heißt. Die längsten dieser Ketten sind fast einen Mikrometer lang - das entspricht etwa einem Tausendstel Millimeter. Damit sind sie fast zehnmal länger als die Ketten, die man bisher herstellen konnte. Ein interdisziplinäres Team aus Chemiker:innen und Physiker:innen der Universitäten Marburg, Gießen und Leipzig sowie chinesischen Forschenden zeigte damit erstmals, dass sich dieses Material auf eine neue Weise herstellen lässt. Dabei wachsen die Molekülketten Schritt für Schritt an einem Ende weiter, ähnlich wie bei einer Perlenkette, an die immer neue Perlen angefügt werden. Der neue Herstellungsprozess kommt ohne Halogene aus und erzeugt keine störenden Nebenprodukte. Dadurch lassen sich sehr saubere und besonders lange Polymerketten herstellen, die für zukünftige elektronische Materialien interessant sein könnten. Die Ergebnisse wurden gerade im Fachmagazin ,,Nature Chemistry" veröffentlicht.
Einund zweidimensionale Kohlenstoffstrukturen wie die konjugierten Polymerketten haben halbleitende Eigenschaften und werden als nächste Stufen in der Entwicklung neuer Halbleiter-Technologien gehandelt. Dafür werden ausgedehnte Strukturen gebraucht, wofür die Entwicklung langer Ketten bedeutsam ist.
Gezieltes Kettenwachstum
Im Unterschied zu bisherigen oberflächenbasierten Kopplungsreaktionen, bei denen viele kurze Molekülstücke zufällig zusammenfinden, wächst hier eine Kette kontrolliert an einem Ende weiter: Vorgespannte Ringmoleküle werden dazu auf einer Kupferoberfläche im Ultrahochvakuum durch das reaktive Kettenende geöffnet und angefügt. ,,Dieser Mechanismus verhindert Nebenprodukte, die sonst die Oberfläche für weitere Reaktionen blockieren würden", berichtet der Chemiker Michael Gottfried von der Philipps-Universität Marburg. Mithilfe hochauflösender Rastertunnelmikroskopie (STM) und nicht-kontaktierender Rasterkraftmikroskopie (nc-AFM) mit funktionalisierter Spitze konnten die Forschenden einzelne Bindungen direkt sichtbar machen. Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) und NEXAFS-Messungen belegten zusätzlich die chemischen Veränderungen während der Reaktion.
Dichtefunktionaltheorie-Simulationen der Universität Leipzig aus der Gruppe von Ralf Tonner-Zech von der Fakultät für Chemie untermauerten den vorgeschlagenen Reaktionsweg und erklärten die energetischen Vorteile des Kettenwachstums. Aus den ultralangen PPP-Ketten lassen sich durch gezieltes Erhitzen über spezifische Zwischenstufen neuartige Nanobänder mit Längen bis etwa 40 Nanometern erzeugen. ,,Aus zwei Ketten machen wir später wie bei einem Reißverschluss ein neues Band aus Kohlenstoff", erklärt Gottfried. ,,Die theoretischen Rechnungen helfen dabei, den experimentellen Bildungsmechanismus besser zu verstehen", ergänzt Tonner-Zech.
Anwendungspotenziale für molekulare Halbleiterbauelemente
Die Arbeit ist Grundlagenforschung im besten Sinne: Sie erweitert das chemische Werkzeugset zur Herstellung atomar präziser Kohlenstoff-Strukturen - potenzieller Bausteine künftiger molekularer Elektronik, organischer Transistoren oder neuartiger Halbleiter-Nanobänder. ,,PPP zählt zu den konjugierten Polymeren, deren elektronische Eigenschaften stark von Kettenlänge und struktureller Perfektion abhängen", erklärt Gottfried. Zugleich dienen die nun zugänglichen ultralangen Ketten als Ausgangspunkt für definierte Kohlenstoff-Nanobänder mit maßgeschneiderten Eigenschaften.
Langjährige Kooperation und neue Forschungsfelder
Möglich wurde der Durchbruch durch das enge Zusammenspiel von chemischem Design, Oberflächenphysik, hochauflösender Mikroskopie und Theorie zwischen den Universitäten Marburg und Gießen, der Universität Leipzig und Partnern in China (Hefei und Suzhou). Die Zusammenarbeit zwischen den mittelhessischen Universitäten und der Universität Leipzig ist dabei über viele Jahre erfolgreich und eng im Rahmen des Sonderforschungsbereichs ,,Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen" intensiviert worden. Eine ganze Reihe gemeinsamer Publikationen sind hier insbesondere aus der Kooperation zwischen der experimentell arbeitenden Gruppe von Gottfried (Universität Marburg) und der Theoriegruppe Tonner-Zech (Universität Leipzig) entstanden.
Besondere Relevanz für die Universität Leipzig hat die Publikation auch als eine der Grundlagen für das neue Forschungsfeld ,,ReMIL" ( Responsive Moleküle und Ionen in Schichten , das kürzlich vom Rektorat bestätigt wurde. Das von Tonner-Zech gemeinsam mit Jonas Warneke (beide Wilhelm-Ostwald-Institut für Physikalische und Theoretische Chemie, Fakultät für Chemie) geleitete neue Forschungsfeld widmet sich der gezielten Gestaltung funktionaler ultradünner Schichten an Grenzflächen.
Originaltitel der Veröffentlichung in ,,Nature Chemistry":
" On-Surface Radical Ring-Opening Polymerization Produces Ultra-Long Poly(p-phenylene) for Access to Nonbenzenoid Carbon Nanoribbons" , DOI: 10.1038/s41557-026-02092-y
