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Molekulare Multiwerkzeuge

Forscher entwickeln Strukturierungsmethode mit Licht

4. Oktober 2018

Die Funktionalisierung von Oberflächen mit verschiedenen physikalischen oder chemischen Eigenschaften ist eine Anforderung in vielen Anwendungsgebieten. So erlaubt zum Beispiel die Strukturierung von Oberflächen mit wasserliebenden und wasserabweisenden Flächen eine Trennung von Emulsionen, wie bspw. Wasser und Öl. Solche Strukturen können des Weiteren verwendet werden, um Flüssigkeiten zu leiten, z. B. in Mikrofluidik-Anwendungen, die für die Analyse kleinster Flüssigkeitsmengen wichtig sind. Die Schaffung von definierten Oberflächeneigenschaften ist jedoch eine Herausforderung. Forscher des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz (MPI-P), der beiden chinesischen Universitäten für Wissenschaft und Technik (Hefei) sowie für elektronische Wissenschaft und Technologie (Chengdu) haben nun Oberflächen entwickelt, die durch sichtbares Licht strukturiert werden können.
Schematische Darstellung des Austauschs von Oberflächen-Funktionen durch sichtbares Licht. Ruthenium-Komplexe dienen als molekulare Schraubenzieher, während Thioether-Gruppen als molekulare Bits die Oberflächen-Eigenschaften bestimmen.<br /><br /> Bild vergrößern
Schematische Darstellung des Austauschs von Oberflächen-Funktionen durch sichtbares Licht. Ruthenium-Komplexe dienen als molekulare Schraubenzieher, während Thioether-Gruppen als molekulare Bits die Oberflächen-Eigenschaften bestimmen.

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Das internationale Team von Wissenschaftlern hat Oberflächen entwickelt, die mit einem speziellen Molekül bedeckt sind, welches ein Ruthenium-Atom in seinem Zentrum hat. Dieser Molekül-Komplex ist fest mit der Oberfläche verbunden und wirkt quasi als molekularer Schraubenzieher. „Man kann sich dieses Molekül als Schraubenzieher vorstellen, an den verschiedene Bits angedockt werden können. Dies bedeutet, dass wir die Oberfläche durch Wechsel der Bits mit verschiedenen Funktionen ausstatten können, wie z. B. wasserabweisenden Eigenschaften“, sagt Prof. Dr. Si Wu, Gruppenleiter am MPI-P (Abteilung von Prof. Dr. Hans-Jürgen Butt).

Das Andocken von solchen Bits – hier, sogenannten „Thioether-Gruppen“, organischen Molekülen, die ein Schwefelatom aufweisen– wurde bisher durch chemische Verbindungen bewerkstelligt, die nur schwer wieder entfernt werden konnten. Eine Entfernung war in der Vergangenheit nur über komplizierte chemische Methoden möglich, die gleichzeitig die funktionalen Thioether-Gruppen sowie die an der Oberfläche angebrachten Ruthenium-Komplexe zerstörte. In ihrer Veröffentlichung zeigten die Forscher, dass die Entfernung der Thioether-Gruppen – also der Bits – einfach durch sichtbares Licht möglich ist. „Dies ist sehr wichtig wenn wir z. B. an Biomoleküle auf der Oberfläche denken, die durch UV-Licht zerstört werden können. Daher haben wir in unserer Arbeit mit sichtbarem Licht experimentiert, das weniger Energie besitzt und damit ggf. angedockte Biomoleküle nicht zerstört“, so Wu.

Mit der neu entwickelten Methode ist es somit möglich, Oberflächen sehr einfach zu strukturieren. Im Dunkeln wird die komplette Oberfläche mit einem Molekül mit gewünschten, beispielsweise wasserabweisenden, Eigenschaften funktionalisiert. Die Oberfläche wird daraufhin durch eine Schattenmaske beleuchtet. Dies löst die Verbindungen zwischen dem Ruthenium-Komplex, der fest mit der Oberfläche verbunden ist, und der angedockten funktionalen Thioether-Gruppe. Nach Waschen der Oberfläche wird die Funktionalität somit an den belichteten Stellen entfernt, nur die unbelichteten Stellen bleiben zurück.

Da der Ruthenium-Komplex fest mit der Oberfläche verbunden ist, beim Waschen also zurückbleibt, kann er immer wieder genutzt werden, um andere „Bits“ – andere Funktionalitäten – auf die Oberfläche aufzubringen. Daher kann die Oberfläche mehrfach rekonfiguriert werden.

Ihre Resultate haben die Forscher nun in dem renommierten Journal „Nature Communications“ veröffentlicht.

Über Prof. Dr. Si Wu

Si Wu wurde 1982 in Chongqing, China geboren. Er studierte Polymerchemie an der “University of Science and Technology of China (USTC)”, Hefei, China und erhielt einen Bachelor-Grad im Jahr 2005. Er wurde unterstützt durch das gemeinsame Promotionsprogram der USTC mit dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P). Im Jahr 2010 erhielt er seinen Doktorgrad mit einer Arbeit zu photoresponsiven Verbindungen von Azopolymeren. Seit 2012 ist er Gruppenleiter am MPI-P. 2018 wurde er als Professor an die USTC berufen und gründete eine neue Gruppe in Hefei. Aufgrund seiner Untersuchungen zu photoresponsiven Materialien bekam Si Wu eine Auszeichnung als eines der 10 führenden chinesischen Talenten in Wissenschaft und Technologie in Europa im Jahr 2016 in Dänemark verliehen.

Zusätzliche Informationen

Originalveröffentlichung: https://www.nature.com/articles/s41467-018-06180-7
Webseite von Prof. Dr. Si Wu: http://www.mpip-mainz.mpg.de/4392775/Dr_Si_Wu

 
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