Wie weich ist ein Molekül? Cambridge liefert den Beweis
Cambridge misst erstmals die Steifigkeit einzelner Moleküle in organischen Halbleitern – und liefert neue Einblicke für flexible Elektronik.
Handgezeichnete Skizze von organischen Molekülen, die in einem Rasterkraftmikroskop mechanisch durch eine Nano-„Nadel“ (blau gezeichnet) zusammengedrückt werden. Jedes handgezeichnete Molekül auf dem grauen Teppich stellt seine Position und Ausrichtung innerhalb der Messung dar.
Foto: Hand-drawn artwork by Jonathan Wong. Concept by Ki-Hwan Hwang
University of Cambridge-Forschende haben eine Frage untersucht, die in der Debatte um flexible Elektronik bislang erstaunlich vage blieb: Was bedeutet „weich“ eigentlich auf molekularer Ebene? Und beeinflusst diese Weichheit, wie gut ein Material Strom leitet?
Flexible Displays, biegsame Solarzellen oder tragbare Sensoren gelten als nächste Evolutionsstufe der Elektronik. Doch während Silizium als Maßstab für Geschwindigkeit und Effizienz dient, bestehen organische Halbleiter aus kohlenstoffbasierten Molekülen. Sie lagern sich zu vergleichsweise weichen Festkörpern zusammen. Genau diese mechanische Nachgiebigkeit macht sie attraktiv – und wirft neue Fragen auf.
Die Ergebnisse aus Cambridge, veröffentlicht in Nature Communications, liefern nun erstmals einen experimentellen Nachweis dafür, dass die Steifigkeit einzelner Moleküle zur Gesamtsteifigkeit eines Materials beiträgt.
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Messen im Nanobereich
Im Zentrum der Arbeit steht die Rasterkraftmikroskopie (AFM). Dabei tastet eine extrem feine Spitze – nur etwa zehn Nanometer breit – die Oberfläche eines Materials ab. Sie übt eine definierte Kraft aus und misst, wie stark sich die Struktur darunter verformt.
„Das ist ein bisschen so, als würde man mit einem Stock den Boden abtasten“, sagte Dr. Deepak Venkateshvaran vom Cavendish Laboratory in Cambridge, der die Forschung leitete. „Wenn der Boden fest ist, drückt er zurück. Wenn er weich ist, gibt er nach. Wir machen das auch, aber im Maßstab von wenigen Nanometern – etwa der Größe einer Handvoll Moleküle.“
Entscheidend ist die Auflösung. Das Team konnte die mechanische Antwort von nur wenigen dicht gepackten Molekülen erfassen. Genau hier lag bisher das Problem: Die Flexibilität ganzer Schichten ließ sich messen. Der Beitrag einzelner Moleküle blieb jedoch unklar.
DNTT als Modellmaterial
Die Forschenden untersuchten einen organischen Halbleiter namens DNTT. Das Material findet sich häufig in flexiblen Dünnschichttransistoren. Es besitzt einen starren Molekülkern, an den sich chemische Seitenketten anfügen lassen.
Diese Seitenketten wirken wie molekulare Abstandshalter. Längere, flexiblere Ketten vergrößern den Abstand zwischen den starren Kernen, wenn sich die Moleküle im Festkörper anordnen. Das verändert die Packungsdichte – und damit die mechanischen Eigenschaften.
Die AFM-Messungen zeigten ein klares Bild: Unsubstituiertes DNTT war am steifsten. Varianten mit längeren, flexibleren Seitenketten verhielten sich deutlich weicher, insbesondere bei Druck senkrecht zur Oberfläche.
„Man ist immer davon ausgegangen, dass das Hinzufügen flexibler Seitenketten ein Material weicher macht, aber niemand hatte diesen Effekt jemals direkt auf molekularer Ebene gemessen“, sagte Venkateshvaran. „Der Effekt ist subtil und nur bei äußerst genauer Betrachtung erkennbar.“
„Ziegel“ statt nur „Mörtel“
Cambridge misst erstmals die Steifigkeit einzelner Moleküle in organischen Halbleitern – und liefert neue Einblicke für flexible Elektronik.Bislang konzentrierte sich die Forschung vor allem auf die schwachen Wechselwirkungen zwischen Molekülen – also auf das, was Venkateshvaran als „Mörtel“ beschreibt. Die Cambridge-Studie verschiebt den Fokus.
„Bislang haben wir uns auf den ‚Mörtel‘ konzentriert, also die schwachen Kräfte, die die Moleküle zusammenhalten“, sagte er. „Unsere Arbeit zeigt jedoch, dass auch die ‚Ziegelsteine‘ selbst eine Rolle spielen. Wir konnten den Beitrag einzelner Moleküle von den kollektiven Kräften zwischen ihnen trennen. Das ist experimentell noch nie zuvor gelungen.“
Parallel zu den Experimenten führte das Team Computersimulationen durch. Die Modelle sagten unabhängig eine Verringerung der Steifigkeit voraus, sobald flexible Seitenketten eingeführt wurden. Simulation und Messung deckten sich. Das stärkt die Aussagekraft der Daten.
Was bedeutet das für flexible Elektronik?
Silizium ist kristallin und mechanisch starr. Genau diese Ordnung erleichtert den Ladungstransport. Organische Halbleiter dagegen sind strukturell weniger perfekt. Ladungen bewegen sich hier anders, oft langsamer und stärker von der molekularen Anordnung abhängig.
„Siliziumelektronik ist unter anderem deshalb so schnell, weil Silizium sehr steif und geordnet ist, sodass sich elektrische Ladungen leicht bewegen können“, sagte Venkateshvaran. „Seit Jahrzehnten bauen wir flexible Elektronik, ohne wirklich zu verstehen, was Flexibilität auf molekularer Ebene bedeutet und ob sie sich darauf auswirkt, wie gut diese Materialien Strom leiten können.“
Über die Grenze gehen
„Unser Ergebnis beweist nicht, dass die Steifigkeit die elektronische Leistung in organischen Halbleitern steuert“, sagte Venkateshvaran. „Aber es gibt uns die Werkzeuge, um diese Frage zum ersten Mal richtig zu stellen.“
Langfristig könnte sich zeigen, dass es eine obere Grenze für den Ladungstransport in sehr weichen molekularen Systemen gibt. Falls das zutrifft, müssten Materialentwickler gezielt einen Kompromiss finden: ausreichend flexibel für biegsame Anwendungen, aber mechanisch stabil genug für effizienten Stromtransport.
„Es könnte eine Obergrenze dafür geben, wie gut flexible molekulare Materialien Strom leiten können“, sagte Venkateshvaran. „Wenn wir den Zusammenhang zwischen Steifigkeit und Ladungstransport verstehen, könnten wir Wege finden, diese Grenze zu überwinden.“
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