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Raster-Transmissionselektronenmikroskopische Abbildung einer Fulleren-Ebene zwischen zwei Graphen-Membranen © Mustonen/Meyer, Universität Wien
Raster-Transmissionselektronenmikroskopische Abbildung einer Fulleren-Ebene zwischen zwei Graphen-Membranen © Mustonen/Meyer, Universität Wien

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Graphen-"Sandwich" mit rotierenden Molekülen

09.06.2017

Materialforscher um Jannik Meyer von der Fakultät für Physik der Universität Wien haben eine neue Hybridstruktur hergestellt: Bei den so genannten Buckyball-Sandwiches liegt eine einzelne Lage Fulleren-Moleküle (Kugeln aus 60 Kohlenstoffatomen mit der ungefähren Struktur eines Fußballs) eingebettet zwischen zwei Graphen-Membranen. Graphen gilt als neues "Wundermaterial" und ist eine, nur ein Atom dicke, Schicht aus Kohlenstoff. Unter dem Elektronenmikroskop konnten die Forscher nun erstmals die Diffusion von einzelnen Molekülen im zweidimensionalen Hohlraum zwischen den Graphen-Membranen nachweisen, sowie deren Rotation und das Verschmelzen von zwei oder mehreren Molekülen beobachten. Die Studie erscheint in Science Advances.

Kohlenstoff ist eines der vielseitigsten Elemente: Es bildet die Basis für eine riesige Menge an chemischen Verbindungen, man findet es in verschiedenen Formen unterschiedlicher Dimensionalität, und es kann Bindungen in diversen Geometrien eingehen. Aus diesen Gründen nehmen Kohlenstoffmaterialien schon lange einen besonderen Platz in der Materialforschung ein. Während die dreidimensionalen Strukturen aus Kohlenstoff - Diamant und Graphit - seit der Antike bekannt sind, wurde das erste niedrigdimensionale Allotrop, die quasi 0-dimensionalen Fullerene, erst 1985 entdeckt. Seit 1991 sind eindimensionale Kohlenstoff-Nanoröhrchen ein beliebtes Forschungsthema; seit 2004 ist die zweidimensionale Form, Graphen, experimentell realisierbar. Auch verschiedene Kombinationen aus diesen Kohlenstoff-Allotropen, wie z.B. Fulleren-gefüllte Kohlenstoff-Nanoröhrchen und in Graphit eingebettete Fullerene haben WissenschafterInnen bereits hergestellt und erforscht.

Die Forscher der Universität Wien stellten jüngst ein hybrides Kohlenstoffsystem her, bei dem eine einzelne Lage Fullerene zwischen zwei Graphen-Schichten eingebettet ist. Die Untersuchung der Struktur dieses Buckyball-Sandwiches mittels atomar aufgelöster Raster-Transmissions-Elektronenmikroskopie lieferte überraschende Einblicke in die Dynamik der Moleküle. An den Rändern der Fulleren-Ebenen beobachteten die Forscher die Diffusion einzelner Fullerene innerhalb des Graphen-Sandwiches. Außerdem rotierten die Fullerene - diese Rotation wird aber blockiert, wenn die Fullerene unter längerer Elektronenbestrahlung zu größeren Objekten verschmelzen.

Mit dem Fulleren-Graphen-System haben die Wissenschafter ein neues Materialsystem hergestellt, das eine Lücke in den verfügbaren Kombinationen von Kohlenstoff-Hybridstrukturen füllt. Das Graphen-Sandwich stellt eine Nano-Reaktionskammer dar, mit der molekulare Dynamik im Transmissions-Elektronenmikroskop durch die Graphen-Fenster hindurch beobachtet werden kann. Die Forscher erwarten, dass diese Arbeit auch vielfältige neue Möglichkeiten zur Studie von anderen molekularen Systemen im zweidimensionalen Zwischenraum zweier Graphen-Membranen ermöglicht.

Publikation in Science Advances:

R. Mirzayev, K. A. Mustonen, M. R. A. Monazam, A. Mittelberger, T. J. Pennycook, C. Mangler, T. Susi, J. Kotakoski, J. C. Meyer, Buckyball sandwiches. Sci. Adv. 3, e1700176 (2017)

DOI: 10.1126/sciadv.1700176

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