Charlotte Kress hat in ihrer Masterarbeit eine komplexe organische Verbindung synthetisiert, die in der molekularen Elektronik eingesetzt werden könnte.
Bottom-up statt top-down
Die molekulare Elektronik nutzt einzelne organische Moleküle, die beispielsweise als winzige Schaltelemente in einem Schaltkreis fungieren. Bei diesem bottom-up genannten Ansatz werden grössere elektronische Bauelemente aus einzelnen Molekülen neu aufgebaut statt wie beim herkömmlichen top-down-Verfahren, grössere Bauteile immer weiter zu verkleinern.
Die Forschenden gewinnen mit dem Einsatz einzelner Moleküle nicht nur grundlegende Erkenntnisse über den Stromtransport auf atomarer Ebene, sondern untersuchen auch, ob sich diese kleinsten, aber strukturell vielfältigen Bausteine eignen um bestimmte elektrische Funktionen masszuschneidern. Diese Studien sind auch vor dem Hintergrund von Interesse, dass sich herkömmliche elektronische Bauelemente aus verschiedenen Gründen bald nicht mehr weiter verkleinern lassen.
Einzelne Moleküle als elektrische Leiter
Seit einigen Jahren arbeiten daher Forschende aus der Chemie und Physik eng zusammen um zu untersuchen, welche Moleküle für einen derartigen Einsatz in elektronischen Bauelementen geeignet sind.
Prof. Dr. Michel Calame (Empa und Departement Physik, Universität Basel) hat mit seinem Team eine Technik entwickelt, mit der einzelne Moleküle zwischen zwei winzigen Elektroden elektrisch kontaktiert werden können.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler können so elektrische Eigenschaften der Moleküle untersuchen. Die Gruppe von Professor Dr. Marcel Mayor (Departement Chemie, Universität Basel) liefert die Moleküle für diese Studien und auch Charlotte Kress hat im Rahmen ihrer ausgezeichneten Masterarbeit dazu einen Beitrag geleistet.
Schwefel und Isocyanid binden gut
Bekannt ist bereits seit einiger Zeit, dass Moleküle, die Schwefelatome als funktionelle Gruppe besitzen, gut an Goldelektroden binden, die das Calame-Team einsetzt. Eine weitere funktionelle Gruppe, mit der Moleküle gut an Gold-elektroden fixiert werden können, ist Isocyanid – bei dem ein Kohlenstoffatom über eine Dreifachbindung mit Stickstoff verbunden ist.
Den beiden Teams von Marcel Mayor und Michel Calame war es bereits früher gelungen, aus Benzolringen mit Isocyanidgruppen eindimensionale Ketten zwischen zwei Goldelektroden einzubauen (siehe Publikation Nature Communications).
In ihrer Masterarbeit entwickelte Charlotte nun ein makrozyklisches Molekül – also ein ringförmiges Molekül – bei dem von beiden Seiten eine Isocyanid-Gruppe ins Zentrum des Ringes zeigt, und dadurch die Bindungssituation für Goldatome in der oben erwähnten eindimensionalen Kette nachstellt.
Schrittweise zum Endprodukt
Die ersten Monate der Arbeit verbrachte Charlotte damit, die makrozyklischen Moleküle in mehreren Schritten zu synthetisieren. «Wir haben dafür vorab einen Syntheseplan entworfen, der auch ziemlich gut aufgegangen ist und den ich auch nur wenig modifizieren musste», beschreibt sie. Das Ziel war es, zwei verschiedene Moleküle herzustellen, bei denen die Isocyanid-Gruppen einmal nach innen und einmal nach aussen gerichtet sein sollten.
Bei anschliessenden Titrationsversuchen stellte Charlotte fest, dass die Isocyanid-Gruppen sehr gut an die Goldatome binden. Da die Moleküle zudem auch bei Raumtemperatur stabil sind und sich in Pulverform gut lagern lassen, sind sie vielversprechende Kandidaten nicht nur für den Einsatz in der molekularen Elektronik, sondern auch als Sensoren für gelöste Goldionen.
Anwendung im Hinterkopf
Charlotte hat die Synthese organischer Materialien sehr viel Spass bereitet. «Dabei ist es mir wichtig, eine Anwendung vor Augen zu haben – auch wenn diese in weiter Zukunft liegt», berichtet sie. Besonders interessant fand sie bei dieser Aufgabe, dass sie sich an einer Schnittstelle zwischen Chemie und Physik bewegt.
Weil Charlotte sich zudem in der Mayor-Gruppe sehr gut aufgehoben fühlt, hat sie sich nach dem Master entschieden, eine Doktorarbeit auf dem gleichen Gebiet folgen zu lassen.
Sie wird dabei die Synthesen fortführen und Moleküle herstellen, die sowohl innen wie aussen Isocyanid-Gruppen besitzen. Ihr Plan ist es, diesen Makrozyklus zwischen zwei Elektroden einzuklemmen und somit die vorgeschlagene eindimensionale Kette nachzustellen sowie die Richtigkeit dieser Hypothese zu untermauern. Natürlich will sie als ambitionierte Chemikerin auch die Ausbeute erhöhen – die zurzeit noch bei 7% liegt – und anschliessend die neuen Moleküle genau charakterisieren.
Nicht nur die Bindung an Goldatome, sondern auch an andere für die Elektronik relevante Materialien wird dabei ein Thema sein. Sehr gespannt ist sie zu erfahren, wie ihre Moleküle dann bei den elektronischen Untersuchungen im Calame-Team im «Praxistest» abschneiden.
«Ich hoffe noch viele Mitarbeiter:innen von Charlottes Kaliber in meiner Arbeitsgruppe begrüssen zu können. Sie verfügt nicht nur über sehr gutes handwerkliches Geschick und grosse wissenschaftliche Neugierde, sondern vor allem über eine unbändige Begeisterung und eine ihr eigene Fröhlichkeit, die für die ganze
Umgebung ansteckend sind.»
Professor Dr. Marcel Mayor (Departement Chemie, Universität Basel)
Chemie im Fokus
Während des gesamten Studiums haben Charlotte immer die Themen besonders interessiert, bei denen zwei Disziplinen ins Spiel kamen. Ihr Hauptinteresse war von Beginn an die Chemie, doch richtig spannend wurde es für sie immer, wenn noch ein biologischer oder physikalischer Aspekt dazukam. Aus diesem Grund war das Nanowissenschaftsstudium von Anfang an ideal.
Im Tessin aufgewachsen kam die 25-jährige Deutsche schon für ihre Maturarbeit über die Funktionalisierung von Nanopartikeln in Kontakt mit den Nanowissenschaften. Sie fühlte sich im Anschluss an die Matura von dem Curriculum in Basel sehr angesprochen und hat es bis heute nicht bereut, 2014 das Nanowissenschaftsstudium in Basel begonnen zu haben.
«Nicht alles dabei war einfach,» erinnert sich Charlotte. «Beim Physikpraktikum und bei der Physik III-Prüfung musste ich mich ganz schön durchbeissen. Aber rückblickend profitiere ich jetzt von vielen dieser schwierigeren Themen.» Als Highlights im Studium hebt Charlotte die Blockkurse im Bachelorstudium hervor und – wie so viele ihrer Kolleginnen und Kollegen – den tollen Zusammenhalt unter der Nano-Studierenden.
Masterstudium als Highlight
Insgesamt empfand Charlotte «das Masterstudium als Belohnung für das Bachelorstudium», da sie sich dann intensiver mit einem Thema auseinandersetzen und ihren Fokus mehr auf die Chemie legen konnte.
Bevor sie mit ihren Projektarbeiten startete, absolvierte Charlotte noch ein Semester lang ein Chemiepraktikum für Studierende der Chemie im 6. Semester, um eine bessere Grundlage für die chemischen Arbeiten im Labor zu bekommen.
Sie hatte so eine solide Grundlage, um ihre erste Projektarbeit an der Osaka Prefecture University zu absolvieren und dort ein Protein herzustellen und aufzuarbeiten, das die Funktionalisierung einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung verändern kann. Auch in der zweiten Projektarbeit drehte sich bei Charlotte alles um organische Moleküle – dieses Mal um solche, deren Anwendung in der Photovoltaik im Team von Professor Dr. Wenger an der Universität Basel untersucht werden.
Charlotte hat im Laufe ihres Nanowissenschaftsstudiums zahlreiche Arbeitsgruppen kennengelernt und im Laufe der Zeit auch ein gutes Gespür dafür entwickelt, welche Themen sie besonders interessieren. Die Vorliebe für Chemie, die sie bereits in der Schule besass, hat sich bestätigt und es gefällt ihr in dem Mayor-Team am Departement Chemie sehr gut. Dank des Nanostudiums ist sie aber auch in der Lage, die Ansprüche der Physikerinnen und Physiker zu verstehen, die ihre Moleküle für elektronische Anwendungen untersuchen werden.
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