Organische Chemie, die Chemie der Kohlenstoffverbindungen, ist die Grundlage allen Lebens auf der Erde. Bei vielen biochemische Prozesse spielen aber auch Metalle eine Schlüsselrolle. Wenn es darum geht, die grossen und schweren Metallatome mit den leichten organischen Verbindungen zu «verheiraten», greift die Natur oft auf eine bestimmte Gruppe von chemischen Strukturen zurück: die Porphyrine. Diese Moleküle bilden einen organischen Ring, in dessen Mitte einzelne Metall-Ionen wie Eisen, Kobalt oder Magnesium «verankert» werden können.
Auf dem Porphyrin-Grundgerüst basieren sowohl das Hämoglobin im menschlichen Blut als auch das photosynthetische Chlorophyll in Pflanzen sowie zahlreiche Enzyme. Je nachdem, welches Metall im Porphyrin «gefangen» ist, weisen die resultierenden Verbindungen unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften auf. Diese Flexibilität und Funktionalität von Porphyrinen wollen sich Chemiker und Materialwissenschaftlerinnen schon lange zunutze machen, unter anderem für Anwendungen in der molekularen Elektronik.
Nur: Damit elektronische Komponenten – selbst molekulare – funktionieren, müssen sie mit anderen Komponenten verbunden sein. Einzelne Moleküle zu «verdrahten» ist nicht ganz einfach – doch genau das ist Empa-Forschenden aus dem Labor «nanotech@surfaces» in Zusammenarbeit mit Synthese-Chemikern des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung gelungen. Sie haben es geschafft, Porphyrine in einer präzisen und genau definierten Weise an ein Graphen-Nanoband anzukoppeln. Die dazugehörige Studie wurde in der Fachzeitschrift «Nature Chemistry» veröffentlicht.

Ein «Rückgrat» aus Kohlenstoff
Graphen-Nanobänder sind lange, schmale Bahnen aus dem zweidimensionalen Kohlenstoff-Material Graphen. In Abhängigkeit ihrer Breite und der Form ihrer Ränder weisen sie ein ganzes Spektrum von physikalischen Eigenschaften auf, etwa unterschiedliche Leitfähigkeiten, Magnetismus oder Quanteneigenschaften. Die Empa-Forschenden verwendeten ein gerade einmal einen Nanometer breites Band mit sogenannten Zickzack-Rändern als eine Art molekularen Draht. An diesen Rändern sind die Porphyrin-Moleküle in perfekt regelmässigen Abständen, abwechselnd rechts und links, angedockt.
«Unser Graphenband weist dank Zickzack-Rand selbst eine besondere Art von Magnetismus auf», erklärt Feifei Xiang, Erstautorin der Studie. Die Metallatome in den Porphyrinmolekülen sind hingegen auf «konventionellere» Art magnetisch. Der Unterschied liegt in den Elektronen, die den Spin für den Magnetismus liefern. Während die Spin-tragenden Elektronen beim Metallzentrum an ihrem Metallatom verbleiben, «verteilen» sich die entsprechenden Elektronen im Graphenband entlang der beiden Kanten. «Dank der Kopplung der Porphyrine an das Graphen-Rückgrat ist es uns gelungen, beide Arten von Magnetismus in einem System zu kombinieren und zu verbinden», führt Ko-Autor Oliver Gröning, stellvertretender Leiter des «nanotech@surfaces»-Labors, aus.
Diese Kopplung öffnet viele Türen in der molekularen Elektronik. Das Graphenband fungiert wie ein elektrischer und magnetischer Leiter, eine Art nanoskaliges «Kabel» zwischen den Porphyrinmolekülen. Der korrelierte Magnetismus solcher Graphen-Nanobänder gilt als besonders vielversprechend für quantentechnologische Anwendungen, in denen der dem Magnetismus zugrunde liegende Spin als Informationsträger fungiert. «Unser Graphenband mit den Porphyrinen könnte als eine Reihe von miteinander vernetzten Qubits funktionieren», so Roman Fasel, Leiter des «nanotech@surfaces»-Labors.

Vom Leiten und Leuchten
Doch damit nicht genug: Porphyrine sind in der Natur auch Farbstoffe, wie die bekannten Beispiele Chlorophyll und Hämoglobin anschaulich zeigen. Für die Materialforschenden heisst das: «Die Porphyrin-Zentren sind optisch aktiv», so Gröning. Und Optik ist eine wichtige Möglichkeit, mit den elektronischen und magnetischen Eigenschaften solcher molekularer Ketten in Wechselwirkung zu treten. So können die Porphyrine Licht emittieren, dessen Wellenlänge sich mit dem magnetischen Zustand des gesamten molekularen Systems verändert – eine Art molekulare Lichterkette, in der Informationen durch leichte Farbänderungen ausgelesen werden könnten.
Auch der umgekehrte Prozess ist möglich: Die Porphyrine könnten durch Licht angeregt werden und dadurch die Leitfähigkeit und den Magnetismus des Graphen-Rückgrats beeinflussen. Die molekularen Alleskönner könnten sogar als chemische Sensoren Anwendung finden. Porphyrin-Moleküle lassen sich nämlich ganz einfach funktionalisieren – sprich: durch das «Anhängen» von bestimmten chemischen Gruppen verändern. Bindet sich eine dieser zusätzlichen Gruppen an eine Zielsubstanz, beeinflusst diese Interaktion auch die Leitfähigkeit des Graphenbands.
«Unser System ist ein Baukasten, mit dem man unterschiedliche Eigenschaften einstellen kann», sagt Fasel. Als nächstes wollen die Forschenden unterschiedliche Metallzentren in die Porphyrine einsetzen und deren Effekt untersuchen. Ausserdem wollen sie ein breiteres Graphenband-Rückgrat verwenden, um ihrem molekularen System eine noch vielseitigere elektronische Basis zu geben. Die Synthese dieser «Lichterkette» ist alles andere als trivial. «Unsere Partner am Max-Planck-Institut konnten Ausgangsmoleküle herstellen, die aus einem Porphyrinzentrum mit einigen Kohlenstoffringen in genau definierten Positionen bestehen», sagt Gröning. Diese komplexen Moleküle «backen» die Forschenden bei einigen Hundert Grad Celsius im Ultrahochvakuum zu den langen Ketten. Als «Backblech» dient ihnen dabei eine Goldoberfläche. Nur so lassen sich diese Nanometer-feinen Strukturen mit atomarer Präzision realisieren. Mit Unterstützung durch die Werner Siemens-Stiftung arbeitet das Empa-Team nun intensiv daran, diese neuen Designer-Materialien für künftige Quantentechnologien nutzbar zu machen.