Weben mit Nanofäden
Weben, eine Jahrtausende alte Technik zur Herstellung von Textilien, wurde von ETH Forschern erstmals verwendet, um ein vollst?ndig organisches Nanogewebe herzustellen. Dass dabei ein dreiachsiges Kagome-Gewebe entsteht, hat mit dem raffinierten Design der Moleküle zu tun, aus denen die F?den aufgebaut sind.
Forscher aus der Gruppe von Helma Wennemers, Professorin am Laboratorium für Organische Chemie, haben ihre chemischen Webstühle in Gang gesetzt und ein einzigartiges molekulares Nano-Gewebe kreiert. Dieses Gewebe besteht aus verflochtenen organischen Molekülf?den mit ganz besonderen Eigenschaften.
Die meisten gewobenen Textilien bestehen aus sogenannten Schussf?den und Kettf?den, die senkrecht miteinander verknüpft werden. So wird ein zweiachsiges Gewebe hergestellt, das mechanisch widerstandsf?higer ist als die einzelnen F?den. Forscher haben dieses Prinzip rechtwinklig verwobener F?den mit Hilfe von Metallen bereits auf Molekülsysteme übertragen, um stabile Nanomaterialien zu schaffen.
Wennemers und ihre Gruppe sind nun einen Schritt weiter gegangen. In Zusammenarbeit mit Klaus Müllen, Professor am externe Seite Max Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz, erzeugten sie das erste Nanogewebe aus drei Str?ngen, die aus rein organischen Molekülen aufgebaut sind. Um es in Analogie zur Weberei auszudrücken: Dieses molekulare Gewebe hat zwei Kettf?den, die sich überlagern, aber nicht verflochten sind, und einen Schussfaden, der das Gewebe verriegelt. In der japanischen Flechtkunst ist ein solch dreiachsiges Gewebe auch als Kagome bekann.
Die F?den des Nanogewebes bestehen alle aus demselben organischen Grundbaustein. Dieser wiederum wurde von den Forschern aus drei Molekül-Untereinheiten synthetisiert. Die Basis des Grundbausteins bildet ein spiralf?rmiges Peptid, eine sogenannte Oligoprolin-Helix, die mit dem natürlichen Eiweiss Kollagen verwandt ist. An jedem Ende des spiralf?rmigen Peptids sind zwei Perylen-Monoimide befestigt. Diese scheibenf?rmigen Moleküle sind dafür bekannt, dass sie durch spezielle Wechselwirkungen aneinander haften k?nnen. Dies sind die idealen Voraussetzungen, dass sich aus dem so hergestellten Grundbaustein automatisch lange F?den bilden.
Doch wie verknüpft man solche F?den zu dem dreiachsigen Kagome-Gewebe? Dieses entsteht spontan, wenn man die Grundbausteine in L?sung abkühlen l?sst. Dadurch organisieren sich die Moleküle selbst, was auf dem ausgeklügelten Design der Grundbausteine beruht: Durch geeignete Wahl der L?nge der Oligoprolin-Kette und mit Hilfe des richtigen Abstandes zwischen den Perylen-Monoimiden entstehen l?ngere F?den, die abwechslungsweise oben und unten einen Spalt haben.
In den oberen Spalt passen nun perfekt um 60 Grad gedrehte F?den und in den unteren Spalt jeweils F?den, die um 120 Grad gedreht sind. So entsteht das dreiachsige Kagome-Gewebe. An den Kreuzungen dreier F?den sorgen wiederum die Perylen-Monoimide dafür, dass sich die Gewebestruktur nicht verschieben kann. Die Kagome-Struktur ist unter dem Elektronenmikroskop gut erkennbar.