Elegante Kettenbildung: Münsteraner lösen chemisches Problem mithilfe der Nanotechnologie

Physiker entwickeln gemeinsam mit Chemikern einfaches und energieeffizientes Verfahren zur Erzeugung langkettiger linearer gesättigter Polymere / Publikation in "Science". Wie bringt man kurze Ketten aus reaktionsträgen, linearen ("spaghettiförmigen") Kohlenwasserstoffmolekülen dazu, eine einzige lange Kette zu bilden? Für Chemiker ist das ein schwieriges und seit Langem bekanntes Problem. Sie können solche Ketten nur mühsam und mit einem sehr hohen Energieaufwand erzeugen.
Münstersche Wissenschaftler vom Center for Nanotechnology (CeNTech) und der Westfälischen Wilhelms-Universität (WWU) haben nun mithilfe eines nanotechnologischen Ansatzes eine elegante Lösung gefunden. Bei dem neuen Verfahren verknüpfen sich Kohlenwasserstoffketten "von selbst" an ihren Enden miteinander und erzeugen lange Molekülketten, sogenannte langkettige lineare gesättigte Polymere. Das Verfahren funktioniert einfach und ohne großen Energieaufwand. Die Forscher berichten in der aktuellen Ausgabe des renommierten Fachmagazins "Science" von ihrer Entdeckung.

Die Physiker vom CeNTech und vom Physikalischen Institut der WWU – ein Team um Dr. Dingyong Zhong, Professor Harald Fuchs und Professorin Lifeng Chi – haben einen nanotechnologischen Trick eingesetzt: Extrem feine Goldkanäle, die kaum breiter sind als die Kohlenwasserstoffketten, zwingen die Moleküle, sich alle entlang der gleichen Achse auszurichten. Da die Moleküle sich nur gestreckt innerhalb der Kanäle vor- und zurückbewegen können, treffen die Enden automatisch frontal aufeinander, "kleben" zusammen und bilden lange Ketten – lineare Polymere. Was auf diese Weise einfach klappt, ist mit herkömmlichen Methoden ein Problem. Denn dass sich aus den kurzen Ketten eine lange bildet, ist eigentlich unwahrscheinlich, ähnlich wie bei Spaghetti, die in einem Topf auf dem Herd schwimmen. Selbst wenn die Enden der Nudelschnüre sehr klebrig wären, würden nur sehr selten zwei Enden zufällig genau frontal aufeinandertreffen und zusammenkleben. Dass sich eine sehr lange Spaghetti-Kette bildet, wäre kaum zu erwarten.

Die Goldkanäle entstehen bei leichter Erwärmung des Metalls von selbst. Diese sogenannte Selbstorganisation macht das Verfahren sehr einfach – die Oberfläche muss nicht aufwendig von den Wissenschaftlern strukturiert werden. Ein weiterer Clou: Die Goldatome aktivieren die Kohlenwasserstoffketten, machen sie also für die Reaktion bereit. Normalerweise sind die von den Forschern eingesetzten Kohlenwasserstoffketten reaktionsträge. Sie reagieren also kaum von selbst mit anderen Molekülen. Nach herkömmlichen Methoden müssen Chemiker zur Aktivierung zunächst viel Energie einsetzen, in der Regel sehr hohe Temperaturen. Mit dem neuen Verfahren wird diese Energie gespart.

Damit das Verfahren funktioniert, muss es unter Ultrahochvakuumbedingungen stattfinden, und es sind sehr saubere Goldoberflächen nötig. Die langen Kanäle in den Goldoberflächen haben einer Breite von nur etwas über einem Nanometer, also einem millionstel Millimeter. "In der Fachwelt spricht man bei diesen Strukturen auch von einem eindimensionalen ‚Confinement‘, das die Stoffe, die miteinander chemisch reagieren, in eine bestimmte räumliche Position bringt", erläutert Harald Fuchs. "So tritt, wie in diesem Fall, im Wesentlichen nur die gewünschte Reaktion an den Kettenenden auf."

Für den Erfolg der Arbeit war die enge Zusammenarbeit der Physiker mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Gerhard Erker vom Organisch-Chemischen Institut der WWU entscheidend. Um die Ergebnisse abzusichern, waren zahlreiche Kontrollversuche erforderlich. Dazu hat die Arbeitsgruppe von Gerhard Erker in Kooperation mit dem CeNTech-Team speziell synthetisierte Moleküle bereitgestellt. So konnten die Forscher zum Beispiel demonstrieren, dass bei Molekülen mit nur jeweils einem reaktiven ("klebrigen") Ende tatsächlich wie erwartet nur kurze Ketten aus genau zwei Molekülen auftreten – ein Beleg dafür, dass das Verfahren funktioniert und die chemische Reaktion steuerbar ist. Darüber hinaus konnten die Münsteraner ihre Ergebnisse mit theoretischen Rechnungen untermauern.

"Die Ergebnisse sind ein wunderbares Beispiel dafür, wie eine geschickte Kombination von Nanowissenschaften und organischer Chemie neue Wege der energieschonenden Erzeugung von linearen gesättigten Polymeren ermöglicht", betont Harald Fuchs. "Diese Polymere sind Materialien, die für die Industrie von großem praktischem Interesse sind." So könnten sie beispielsweise der einfachen und kostengünstigen Herstellung hochwertiger Kunststoffe dienen.

Röntgenlaser FLASH deckt schnellen Entmagnetisierungsprozess auf

Forscherteam entdeckt überraschenden Effekt bei der Ummagnetisierung von Ferromagneten

Forscher von TU Berlin, DESY und der Universität Paris haben im Rahmen einer internationalen Kollaboration am Freie-Elektronen-Laser FLASH einen überraschenden Effekt bei der Entmagnetisierung von ferromagnetischen Stoffen entdeckt. Elektronen können sich dabei blitzschnell zwischen Bereichen mit verschiedener Magnetisierung hin- und herbewegen und so die Entmagnetisierung des Materials beeinflussen, fand das Forscherteam um Prof. Stefan Eisebitt von der Technischen Universität Berlin heraus. Dieser Effekt könnte bei der Verkleinerung von magnetischen Speichern eine entscheidende Rolle spielen. �Optische Demagnetisierung ist das mit Abstand schnellste Verfahren, um lokal die Magnetisierung zu ändern, und diese wiederum ist die Grundlage von magnetischer Datenspeicherung�, erklärt Eisebitt. �Optische Verfahren könnten deshalb helfen, magnetische Speicher zukünftig schneller zu machen.� Die Wissenschaftler veröffentlichten ihre Untersuchungsergebnisse jetzt in der aktuellen Ausgabe des Magazins �Nature Communications� (DOI 10..1038/ncomms2108).

Auf die Spur gekommen sind die Forscher dem Effekt bei Experimenten zu einem Phänomen, das schon seit fast 20 Jahren ein heißes Forschungsthema ist: Seitdem ist bekannt, dass man Ferromagneten, zum Beispiel magnetisiertes Eisen, durch Einstrahlung von Laserlichtpulsen extrem schnell entmagnetisieren kann. In wenigen 100 Femtosekunden (eine Femtosekunde, 10-15 s, ist der milliardste Teil einer millionstel Sekunde) bricht die Magnetisierung zusammen, und der Ferromagnet wird unmagnetisch. Die Magnetisierung baut sich dann nach einiger Zeit wieder auf. Bei der Untersuchung dieses Prozesses am Röntgenlaser FLASH sind die Forscher jetzt einem weiteren Mechanismus auf die Spur gekommen, der zur Entmagnetisierung führt. Er tritt in dem � sehr häufigen � Fall auf, dass das Material in magnetische Domänen aufgeteilt ist. �Beim Beschuss mit Laserlicht können freigesetzte Elektronen, die durch das Material flitzen, die Domänengrenzen überwinden und sozusagen `die Seite wechseln´. So gelangen sie aus einer Domäne in eine andersherum magnetisierte Domäne. Dort tragen Sie dazu bei, die lokale Magnetisierung zu zerstören�, erklärt Nachwuchswissenschaftler und Erstautor der Veröffentlichung Bastian Pfau von der TU Berlin. �Auf diese Weise entsteht in Materialien mit nanometer-kleinen Domänen eine zusätzliche Möglichkeit der Demagnetisierung, sobald die Elektronen durch den Laserbeschuss beweglicher werden.� Ein solches Wechselspiel zwischen zwei magnetischen Domänen wurde zwar bereits vermutet, ist bisher aber nie beobachtet worden.

Voraussetzung für diese Art der Entmagnetisierung ist, dass das Grundmaterial in magnetische Domänen aufgeteilt ist � der Normalfall bei Ferromagneten. So besteht ein unmagnetisierter Eisenstab aus vielen mikroskopisch kleinen Bereichen, innerhalb derer die Magnetisierung zwar gleich ausgerichtet ist; die Magnetisierung dieser Minibereiche zueinander ist jedoch beliebig. Wird der Eisenstab magnetisiert, zum Beispiel indem von außen ein magnetisches Feld angelegt wird, dann richten sich die Magnetfelder der einzelnen Domänen parallel aus; der Eisenstab insgesamt wird magnetisch. �Das magnetische Moment wird dabei zu großen Teilen durch den Spin, die Eigenrotation, der Elektronen getragen�, erklärt Dr. Leonard Müller, einer der DESY-Forscher, die an der Untersuchung beteiligt waren. �Die beweglichen Elektronen können daher einen Teil der Magnetisierung durch die Probe transportieren und insbesondere an Domänengrenzen zu Veränderungen führen.�

Die Experimente führten die Forscher, die außer von der TU Berlin und DESY vom Helmholtz Zentrum Berlin, den Universitäten Hamburg und Paris sowie sechs weiteren Forschungseinrichtungen kommen, an DESYs Freie-Elektronen-Laser FLASH in Hamburg durch. Sie untersuchten Proben aus einem Kobalt-Platin-Schichtsystem, das winzige Labyrinth-ähnliche magnetische Domänen enthält. Die Arbeitsgruppe löste zunächst mit einem extrem kurzen Puls eines Infrarotlasers die Entmagnetisierung der Probe aus. Nach einer �Wartezeit� von einigen hundert Femtosekunden wurde dann mit Hilfe des Röntgenlaserlichts von FLASH die aktuelle Magnetisierung der Probe analysiert. �Mit seinen ultrakurzen Röntgenblitzen von unter hundert Femtosekunden Dauer ist FLASH in der Lage, dabei gleichzeitig auch kleinste Veränderungen in der Größe und den Eigenschaften der magnetischen Domänen festzustellen�, erklärt Dr. Christian Gutt von DESY.

Diese sogenannten �Anrege-Abfrage�-Experimente (engl..: �Pump-Probe�), bei denen ein System zunächst angeregt wird, um eine bestimmte Zeit später danach abgefragt zu werden, können extrem schnelle Zeitabläufe von chemischen oder physikalischen Änderungen einer Probe aufzeichnen. Allerdings müssen dafür zwei gepulste Femtosekundenlaser exakt miteinander synchronisiert und beide genau auf dieselbe Stelle der winzigen Probe fokussiert werden. �Ultrakurze Röntgenpulse wie die von FLASH können dabei wegen ihrer kurzen Wellenlänge auch Änderungen in nur wenigen Nanometer großen Strukturen nachweisen�, sagt Prof. Jan Lüning von der Universität Pierre und Marie Curie in Paris.

In den Untersuchungen des Forscherteams zeigte sich nun, dass die anfänglich scharfen Grenzen zwischen unterschiedlichen Domänen kurze Zeit nach dem Infrarot-Laserpuls �verschmiert�, also unscharf werden � die Grenzen zwischen verschieden magnetisierten Domänen verbreitern sich, da die Elektronen die Domänengrenzen durchstoßen. Dies wurde sichtbar, indem die kurz nach der Anregung auf die Probe auftreffenden �Abfrage�-Röntgenpulse des FLASH-Beschleunigers von den magnetischen Domänen etwas schwächer aus ihrer Flugrichtung abgelenkt wurden als zuvor. Umfangreiche Simulationen der Elektronenbewegung bestätigten, dass diese Beobachtung mit einem theoretisch vorhergesagten Mechanismus der Entmagnetisierung durch einen Domänenwechsel durch Elektronen erklärbar ist.

�Unsere Forschungen zeigen, dass die Lage und Dichte magnetischer Domänengrenzen das Demagnetisierungsverhalten beeinflussen kann�, erklärt Stefan Eisebitt. �Das liefert einen neuen Ansatz, um zukünftig durch den gezielten Aufbau magnetischer Nanostrukturen schnellere und kleinere magnetische Datenspeicher zu entwickeln.�