Haftreibung und Gleitreibung einzelner Nanostrukturen

Reibung ist ein allgegenwärtiger Prozess, der enorme Auswirkungen auf unser tägliches Leben hat. Reibungsbasierte Prozesse auf makroskopischer Ebene wurden vor einigen Jahrhunderten erstmals beschrieben. Interessanterweise liefern dieselben physikalischen Gesetze, die zur Beschreibung von Reibungsprozessen in der makroskopischen Welt verwendet werden, keine geeignete Beschreibung der Reibung auf atomarer Ebene. Es gibt in der Tat so viele grundlegende Aspekte im Zusammenhang mit kleinsten Maßstäben und chemischen Vorgängen, deren Zusammenspiel ein umfassendes Verständnis der Reibung auf der Ebene einzelner Atome / Moleküle erschwert. Ziel des Projekts ist es, das Reibungsverhalten eines Systems anhand einer auf einer Kristalloberfläche liegenden individuellen Molekülstruktur zu untersuchen. Offene grundlegende Fragen in diesem Zusammenhang betreffen die Kraft, die erforderlich ist, um eine Bewegung einer auf einer Oberfläche liegenden einzelnen Molekülstruktur auszulösen, und wie das Reibungsverhalten durch das Zusammenspiel der chemischen und strukturellen Aspekte des Systems beeinflusst wird. Hochentwickelte Synthesemethoden werden verwendet, um geeignete molekulare Strukturen auf einer Kristalloberfläche zu züchten. Dies sind molekulare Drähte, d. h. lange lineare Strukturen, die Wiederholungen desselben Moleküls darstellen. Es werden dabei erweiterte Cluster untersucht, die aus wenigen Molekülen sowie individuellen Einzelmolekülen bestehen. Es ist von entscheidender Bedeutung, sich auf molekulare Strukturen mit einer genau definierten chemischen Struktur bis hin zum einzelnen Atom zu verlassen. Die Oberfläche muss außergewöhnlich sauber sein und eine regelmäßige flache Struktur aufweisen. Einzelne molekulare Strukturen werden dann unter Verwendung modernster mikroskopischer Methoden identifiziert und auf der Oberfläche abgebildet. Die Spitze des Mikroskops wird außerdem verwendet, um einzelne Moleküle zu adressieren und sie entlang verschiedener Oberflächenrichtungen zu bewegen. Die Kraft, die benötigt wird, um diese seitliche Bewegung und das entsprechende mechanische Verhalten zu induzieren, wird durch systematische Feinabstimmung der Struktur und der chemischen Zusammensetzung entweder der Oberfläche oder der Molekularstrukturen charakterisiert. Das Verständnis des Zusammenspiels dieser grundlegenden chemischen und strukturellen Aspekte ist wichtig, um die Kontrolle über den Reibungsprozess zu erlangen. Dies wird außerdem ein wichtiger Beitrag zur Entwicklung von Modelltheorien und neuen chemischen Designs zur Synthese von Materialien mit vordefiniertem Reibungsverhalten sein.

In diesem Projekt wurden die mechanischen Eigenschaften einzelner, auf einer Oberfläche adsorbierten Moleküle, untersucht, insbesonders Reibung auf der atomaren Skala. Eine zentrale Frage besteht dabei darin, wie minimale Veränderungen der Molekülstruktur die statischen und dynamischen Reibungseigenschaften beeinflussen. Für ein besseres Verständnis wurde die Dynamik einzelner Moleküle mit Hilfe von Rasterkraftmikroskopie in Abhängigkeit von kontrollierten chemischen Veränderungen der Molekülstruktur und der Trägeroberfläche untersucht. Als Modellsystem wurden das Perylenmolekül und sein deuteriertes Gegenstück gewählt, um die Rolle der Isotopensubstitution zu untersuchen. Das Ersetzen aller Wasserstoff- durch Deuteriumatome in einem Molekül führt auf den ersten Blick lediglich zu einer Änderung der Molekülmasse, während die Chemie des Systems unverändert bleibt. Der springende Punkt dabei ist, ob dieser minimale Eingriff eine Änderung des mechanischen Verhaltens des Moleküls bedeuten könnte. Einzelne Moleküle wurden auf zwei verschiedenen Metalloberflächen adsorbiert: Ag(111), das näherungsweise isotrop und atomar glatt ist, und Au(110), das anisotrop und rauer ist. Auf diese Weise kann die Wechselwirkung zwischen Molekülen und Oberfläche variiert werden. Isolierte Moleküle wurden dann mit der Spitze des Mikroskops einzeln und kontrolliert entlang verschiedener Richtungen auf der Oberfläche verschoben. Ein quantitativer Vergleich der molekularen Manipulationen zeigt dabei keinen signifikanten Unterschied des mechanischen Verhaltens von Perylen und seinem deuterierten Gegenstück. Mit anderen Worten: Es wurden keine messbaren Effekte festgestellt. Darüber hinaus wurden metallfreie H2-Phthalocyanin- (H2Pc) und metallische Kupfer-Phthalocyanin- (CuPc) Moleküle als Modellsysteme ausgewählt, die auf verschiedenen Metalloberflächen, Ag(111) und Au(110), untersucht wurden. Intakte und isolierte Phthalocyaninmoleküle wurden erfolgreich über verschiedene nicht-äquivalente Oberflächenrichtungen bewegt. Die Manipulationskurven dieser Phthalocyanin-Moleküle zeigen dabei komplizierte Signale, die eng mit der Komplexität der Molekularbewegung beim Ziehen über die Oberfläche zusammenhängen. Das liegt daran, dass Phthalocyanine relativ große Moleküle mit vielen internen Freiheitsgraden sind. Um das CuPc über Ag(111) zu ziehen, ist eine größere Kraft erforderlich als bei H2Pc. Tatsächlich ist CuPc im Vergleich zum metallfreien Phthalocyanin stärker an die Oberfläche gebunden. Ein ähnlicher Trend wird beobachtet, wenn die Moleküle über die Au(110)-Oberfläche gezogen werden. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, wie das mechanische Verhalten eines einzelnen Moleküls durch wohldefinierte und kontrollierte chemische Veränderungen beeinflusst werden kann. Die durch eine Isotopensubstitution in Perylen modifizierte chemische Struktur führte zu keiner nachweisbaren Veränderung des mechanischen Verhaltens, während bei der lateralen Manipulation Phthalocyanin-Moleküle mit verschiedenen Atomanordnungen in ihrem Zentrum Unterschiede im molekularen Verhalten beobachtet werden konnten. Diese experimentellen Ergebnisse leisten einen Beitrag zum Verständnis der chemisch-physikalischen Prozesse, die auf der Nanoskala zwischen Molekül und Substrat ablaufen. Dies wird für größere organische Moleküle, die an fest-gas oder sogar fest-flüssig Grenzflächen atomar glatt adsorbiert sind, von Nutzen sein.