Intermolekulare Repulsion zur Steuerung der molekularen Selbstanordnung auf Isolatoroberflächen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurde mit Hilfe der dynamischen Rasterkraftmikroskopie im Ultrahochvakuum untersucht, inwieweit die Repulsion zwischen Molekülen auf einer Oberfläche genutzt werden kann, um die molekulare Selbstorganisation zu steuern. Ausgangspunkt des Projekts war die Selbstorganisation von 3-Hydroxybenzoesäure auf der (10.4) Oberfläche von Calcit. Für dieses System war bekannt, dass sich Streifen ausbilden, deren Anordnung nicht der zufälligen Anordnung von nichtwechselwirkenden Streifen entspricht. Um zu demonstrieren, dass der Anordnung tatsächlich repulsive Wechselwirkungen zugrunde liegen, haben wir kinetische Effekte dadurch ausgeschlossen, dass die Streifenabstands- und Längenverteilungen über einen langen Zeitraum betrachtet wurden. Um verlässliche Aussagen machen zu können, ist eine große Zahl an validen Daten notwendig. Dafür müssen große Bilder mit hoher Pixelzahl aufgenommen werden, um Artefakte auszuschließen. Die Auswertung der Daten erfordert eine automatisierte Bildanalyse, die im Rahmen dieses Projekts entwickelt wurde. Das Projekt verfolgte drei Schwerpunkte. Erstens sollte überprüft werden, ob der beobachtete Effekt der repulsiven Wechselwirkung eine Besonderheit der untersuchten Benzoesäure oder allgemeinerer Natur ist. Im Rahmen des Projekts wurde neben den Benzoesäurederivaten 3,5-Dihydroxybenzoesäure und 4-Ethinylbenzoesäure vor allem die 3-Aminobenzoesäure auf Calcit (10.4) untersucht, für die umfangreiche temperatur- und bedeckungsabhängige Studien durchgeführt wurden. Alle genannten Moleküle zeigen das Phänomen der repulsiven Wechselwirkung. Die Untersuchung weiterer Moleküle und vor allem auch anderer Oberflächen steht noch aus. Im zweiten Teilprojekt sollte die Natur der Repulsion untersucht werden. Bereits im Vorfeld war sehr naheliegend, dass die Repulsion durch die Abstoßung adsorptionsinduzierter Dipole entsteht. Es konnte gezeigt werden, dass die experimentellen Daten tatsächlich mit dem Modell einer Dipol-Dipol- Wechselwirkung vereinbar sind. In Kooperation mit unseren Theoriepartnern konnten wir ein analytisches Modell an die experimentell bestimmten Streifenabstands- und Längenverteilungen fitten und so die tatsächliche Stärke der Wechselwirkung bestimmen. Außerdem wurden die Grenzen des analytischen Modells mit Hilfe einer Monte Carlo Simulation getestet. Diese Simulation erlaubt nun auch, den Effekt anderer Potentiale über die Dipol-Dipol-Wechselwirkung hinaus zu untersuchen. Schließlich war geplant, die repulsive Wechselwirkung gezielt zu nutzen, um nicht nur die Verteilung, sondern auch die Form von Molekülinseln auf Oberflächen zu steuern. Dieser letzte Teil steht, insbesondere bedingt durch die Corona-Pandemie, noch aus.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Kinetic control of molecular assembly on surfaces, Commun. Chem. 1 (2018) 66
Chiara Paris, Andrea Floris, Simon Aeschlimann, Julia Neff, Felix Kling, Angelika Kühnle, Lev Kantorovich
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Molecular Self-Assembly: Quantifying the Balance between Intermolecular Attraction and Repulsion from Distance and Length Distributions, J. Phys. Chem. C 124 (2020) 21583
Christoph Schiel, Maximilian Vogtland, Ralf Bechstein, Angelika Kühnle and Philipp Maass
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Molecular Stripe Patterns on Surfaces in the Presence of Long- Range Repulsive Electrostatic Interactions: Monte Carlo Simulations and Mean-Field Theory, J. Phys. Chem. C 125 (2021) 20650
Christoph Schiel, Maximilian Vogtland, Ralf Bechstein, Angelika Kühnle and Philipp Maass
