Forskere ser lag af buckyballs vokse i realtid

Ved at bruge DESYs ultraklare røntgenkilde PETRA III, forskere har observeret i realtid, hvordan fodboldformede kulstofmolekyler arrangerer sig i ultraglatte lag. Sammen med teoretiske simuleringer, undersøgelsen afslører det grundlæggende i denne vækstproces for første gang i detaljer, som holdet omkring Sebastian Bommel (DESY og Humboldt Universität zu Berlin) og Nicola Kleppmann (Technische Universität Berlin) rapporterer i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation . Denne viden vil i sidste ende gøre det muligt for forskere at skræddersy nanostrukturer fra disse kulstofmolekyler til visse anvendelser, som spiller en stigende rolle inden for det lovende område af plastikelektronik. Holdet bestod af forskere fra Humboldt-Universität zu Berlin, Technische Universität Berlin, Universität Tübingen og DESY.

Forskerne studerede såkaldte buckyballs. Buckyballs er sfæriske molekyler, som består af 60 carbonatomer (C ₆₀ ). Fordi de minder om den amerikanske arkitekt Richard Buckminster Fullers geodætiske kupler, de blev døbt buckminsterfullerenes eller "buckyballs" for korte. Med deres struktur af alternerende femkanter og sekskanter, de ligner også små molekylære fodbolde.

Ved at bruge DESYs røntgenkilde PETRA III, forskerne observerede, hvordan buckyballs sætter sig på et substrat fra en molekylær damp. Faktisk, det ene lag efter det andet, kulstofmolekylerne vokser overvejende på øer med kun ét molekyle højt og danner knap nok tårnlignende strukturer." Det første lag er 99% komplet, før 1% af det andet lag er dannet, " forklarer DESY-forsker Bommel, som afslutter sin doktorgrad i prof. Stefan Kowariks gruppe ved Humboldt Universität zu Berlin. Sådan dannes ekstremt glatte lag.

"For virkelig at observere vækstprocessen i realtid, vi var nødt til at måle overfladerne på et molekylært niveau hurtigere end et enkelt lag vokser, som finder sted om cirka et minut, " siger medforfatter Dr. Stephan Roth, leder af P03-målestationen, hvor forsøgene blev udført. "Røntgenundersøgelser er velegnede, da de kan spore vækstprocessen i detaljer."

"For at forstå udviklingen af ​​overflademorfologien på molekylært niveau, vi udførte omfattende simuleringer i et ikke-ligevægtssystem. Disse beskriver hele vækstprocessen af ​​C60-molekyler til en gitterstruktur, " forklarer Kleppmann, Ph.d.-studerende i Prof. Sabine Klapps gruppe ved Institut for Teoretisk Fysik, Tekniske Universitet i Berlin. "Vores resultater giver grundlæggende indsigt i de molekylære vækstprocesser i et system, der danner en vigtig forbindelse mellem atomernes verden og kolloidernes verden."

Gennem kombinationen af ​​eksperimentelle observationer og teoretiske simuleringer, forskerne bestemte for første gang tre store energiparametre samtidigt for et sådant system:bindingsenergien mellem fodboldmolekylerne, den såkaldte "diffusionsbarriere, "som et molekyle skal overvinde, hvis det vil bevæge sig på overfladen, og Ehrlich-Schwoebel-barrieren, som et molekyle skal overvinde, hvis det lander på en ø og vil hoppe ned fra den ø.

"Med disse værdier, vi forstår nu for første gang, hvordan sådanne nanostrukturer opstår, " understreger Bommel. "Ved at bruge denne viden, det er tænkeligt, at disse strukturer selektivt kan dyrkes i fremtiden:Hvordan skal jeg ændre mine temperatur- og aflejringshastighedsparametre, så en ø af en bestemt størrelse vil vokse. Dette kunne, for eksempel, være interessant for organiske solceller, som indeholder C60." Forskerne har til hensigt at udforske væksten af ​​andre molekylære systemer i fremtiden ved hjælp af de samme metoder.