Selbstorganisation in der Nanowelt

Transkript

1 Selbstorganisation in der Nanowelt Dr. Frank Balzer University of Southern Denmark, NanoSYD Sønderborg, Denmark

2 Top down vs. Bottom up Winnie Grundprinzipien zur Erzeugung von (Nano-) Strukturen Top down: von oben nach unten Bottom up: von unten nach oben

3 Erzeugung von Nanostrukturen Grundprinzipien zur Erzeugung von (Nano-) Strukturen Top down: von oben nach unten Bottom up: von unten nach oben Ch. Lieber, small 1 (2005) 142 makroskopische Welt Mikrotechnologie Kosten 2 µm Kosten 100 µm 100 nm 100 pm Strukturgröße Sub-µm Technol. DEVICES TOP DOWN 10 Atome 1000 Atome Atome BOTTOM UP DEVICES Supramolekulare Strukturen Komplexität atomare Skala Atome, Moleküle

4 Top down: Computer Prozessoren, 45 nm Technologie Einzelner Transistor Intel Penryn Prozessor 2 nm Millionen Transistoren pro Prozessor

5 Bottom up Manipulation einzelner Xenon Atome mit einem Rastertunnelmikroskop Xe auf Ni(110) bei 4 K Nature 344 (1990) Fe auf Cu(111)

6 Bottom up Fe auf Cu(111)

7 Selbstorganisation Selbstorganisation in der Natur: Fische organisieren sich zu einem Schwarm para-hexaphenylene auf Glimmer Self-assembly is the autonomous organization of components into patterns or structures without human intervention. Nature Nanotechn. 1 (2006) 169 Science 295 (2002) 2418

8 Selbstorganisation auf großen Skalen NGC 1365

9 Selbstorganisation von Wassermolekülen zu Schneeflocken

10 Lebenszyklus HI-Virus Lebenszyklus des HI-Virus (gegen den Uhrzeigersinn): 1) Das Virus dockt an, und seine Membran verschmilzt mit der Zelle. 2) Das Kapsid mit dem Erbgut wird in die Zelle geschleust. 3) Die virale RNA wird frei und 4) in DNA übersetzt. 5) Die DNA gelangt in den Zellkern und 6) wird in das Erbgut eingebaut und 7) abgelesen. 8) Das Transkript wird in Protein übersetzt, 9) unter anderem in Gag. 10) Aus den Gag-Bausteinen wird die kugelförmige frühe Schutzhülle gebaut, 11) die sich mit Zellmembran umhüllt. 12) Anschließend bilden Teile der Gag-Proteine das kegelförmige Kapsid

11 Selbstorganisation auf kleinen Skalen: HI Virus Gag: Protein, 55 kda Briggs et al., PNAS Doi: /pnas

12 Bubble Raft Kapillarkräfte bringen Bläschen zusammen. optimale Anordnung hydrophobe Bläschen Annäherung Bläschen Verringerung der Oberfläche Anziehung Bragg and Nye, Proc. Roy. Soc. A 190 (1947) 474 J.A. Pelesko, Self Assembly

13 Selbstorganisation: einfaches Modell ohne Wechselwirkung mit Wechselwirkung Wechselwirkung: schwach! Kapillarkräfte van der Waals Kräfte (Geckos!) Wasserstoffbrückenbindung elektrostatische Kräfte, magnetische Kräfte Molecular Workbench

14 Schlüsselprinzipien der Selbstorganisation Umgebung Bindungskraft Strukturierte Teilchen Strukturierte Teilchen Blasen Bindungskräfte Kapillarkräfte Umgebung Wasser Becherglas Gravitationsfeld Treibende Kraft Schütteln Treibende Kraft Energieminimum! J.A. Pelesko, Self Assembly

15 Selbstorganisation von Nanoteilchen: Einfluß der Form /ja061704x /adma /ja047846d

16 Selbstorganisation von Polymer-Kügelchen: künstliche Opale ChiuZ 41 (2007) 38

17 Selbstorganisation von Strohhalmen Meniskus konvex Meniskus konvex Meniskus konkav Meniskus konkav Meniskus konvex Meniskus konkav Energieminimierung, statische Selbstorganisation Campbell et al., J. Chem. Ed. 79 (2002) 201 Au Nanostäbchen Doi: /la047488s

18 Selbstorganisation: einfache Modelle Quartärstruktur Insulin-Dimer: zwei Aminosäure- Ketten werden durch Disulfid- Bindungen zusammengehalten Microtubulus aus dem Protein Tubulin mitverantwortlich für Stabilisierung der Zelle nm Durchmesser Molecular Workbench

19 Zweidimensionale Organisation: Mono- und Multischichten Doi: /science Leuchtdioden aus einigen zehn Monoschichten von Quantenpunkten G.A. Ozin, Nanochemistry Molecular Workbench

20 Dynamische Selbstorganisation: Modelle + - selbstorganisierende Nanodrähte Molecular Workbench Doi: /

21 Selbstorganisation Ozin et al., Mater. Today 12 (2009) 12

22 Hierarchische Selbstorganisation STM-Bilder einzelnes Rubrene Molekül auf Au(111) bei niedrigen Temperaturen Cluster aus 5 Rubrene Molekülen Supramolekulares Zehneck häufig in biologischen Strukturen Doi: /annurev.physchem

23 Gesteuerte Selbstorganisation ZnO Nanodrähte 40 nm Durchmesser InP Nanodrähte 40 nm Durchmesser Spitze InAs Nanodrähte 80 nm Durchmesser an der Spitze Fan et al., small 2 (2006) 700

24 Alsion: Selbstorganistaion organischer Nanodrähte µm 2 Cl Cl µm 2 H 3 C O O CH 3 M. Madsen

25 Alsion: Selbstorganisation organischer Nanodrähte Rasterkraft Mikroskopie 10 µm 10 µm 10 µm 5 µm Fluoreszenz Mikroskopie 25 µm 25 µm 25 µm 20 µm PPTPP / muscovite PPTPP / phlogopite PPTTPP / muscovite p-6p / phlogopite