Gefragt: Möglichst sortenreine Kohlenstoffnanoröhrchen
Mit einem Durchmesser im Bereich eines Nanometers gelten einwandige CNT (engl. single wall CNT, SWCNT) als Quantenstrukturen; geringste strukturelle Unterschiede etwa im Durchmesser oder in der Ausrichtung des Atomgitters können die elektronischen Eigenschaften dramatisch verändern: Ein SWCNT kann metallisch sein, während ein strukturell leicht anderes halbleitend ist. Entsprechend groß ist das Interesse an zuverlässigen Methoden, um SWCNT möglichst sortenrein herzustellen. Entsprechende Konzepte zur Synthese haben Forscher um Martin Jansen, emeritierter Direktor am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, seit zehn Jahren verfolgt. Doch erst jetzt gelang es Oberflächenphysikern der Empa und den Chemikern des Stuttgarter Max-Planck-Instituts, diese Idee im Labor auch erfolgreich umzusetzen. Die Forscher ließen strukturell identische SWCNT in einem selbstorganisierten Prozess auf einer Platinoberfläche wachsen und konnten so eindeutig deren elektronische Eigenschaften definieren.
Die Max-Planck-Forscher um Martin Jansen hatten die Idee, Kohlenstoffnanoröhrchen ausgehend von kleineren Vorläufermolekülen zu synthetisieren. Die Ausgangsmoleküle sollten sich dabei kontrolliert zu einer Kappe als Keim für ein SWCNT umformen lassen und damit die Struktur des Nanoröhrchens eindeutig festlegen. Mit diesem Konzept traten sie an das Empa-Team um Roman Fasel, Leiter der Empa-Abteilung „nanotech@surfaces“ und Titularprofessor am Departement für Chemie und Biochemie der Universität Bern, heran. Denn diese Gruppe beschäftigt sich schon seit Längerem damit, wie sich Moleküle auf einer Oberfläche nach dem Prinzip der molekularen Selbstorganisation zu komplexen Nanostrukturen umformen beziehungsweise zusammenfügen lassen. „Die Herausforderung bestand nun darin, das geeignete Ausgangsmolekül zu finden, das auf einer glatten Oberfläche auch tatsächlich ‚keimen‘ würde“, so Roman Fasel. Das gelang schließlich Andreas Mueller und Konstantin Amsharov am Stuttgarter Max-Planck-Institut mit der Synthese eines Kohlenwasserstoff-Moleküls aus immerhin 150 Atomen.