Usando la fuente de rayos X ultrabrillante de DESY, PETRA III, Los investigadores han observado en tiempo real cómo las moléculas de carbono con forma de balón de fútbol se organizan en capas ultrasuaves. Junto con simulaciones teóricas, la investigación revela por primera vez en detalle los fundamentos de este proceso de crecimiento, como informa el equipo de Sebastian Bommel (DESY y Humboldt Universität zu Berlin) y Nicola Kleppmann (Technische Universität Berlin) en la revista científica Comunicaciones de la naturaleza . Este conocimiento eventualmente permitirá a los científicos adaptar nanoestructuras a partir de estas moléculas de carbono para ciertas aplicaciones. que juegan un papel cada vez más importante en el prometedor campo de la electrónica plástica. El equipo estaba formado por científicos de la Humboldt-Universität zu Berlin, Technische Universität Berlín, Universität Tübingen y DESY.

Los científicos estudiaron las llamadas buckyballs. Las buckybolas son moléculas esféricas, que constan de 60 átomos de carbono (C ₆₀ ). Debido a que recuerdan a las cúpulas geodésicas del arquitecto estadounidense Richard Buckminster Fuller, fueron bautizados buckminsterfullerenes o "buckyballs" para abreviar. Con su estructura de pentágonos y hexágonos alternos, también se parecen a pequeños balones de fútbol moleculares.

Usando la fuente de rayos X PETRA III de DESY, los investigadores observaron cómo las buckybolas se depositan en un sustrato a partir de un vapor molecular. De hecho, una capa tras otra, las moléculas de carbono crecen predominantemente en islas de una sola molécula de altura y apenas forman estructuras en forma de torre. "La primera capa está completa en un 99% antes de que se forme el 1% de la segunda capa, "explica Bommel, investigador de DESY, quien está completando su doctorado en el grupo del Prof. Stefan Kowarik en la Humboldt Universität zu Berlin. Así es como se forman las capas extremadamente suaves.

"Para observar realmente el proceso de crecimiento en tiempo real, necesitábamos medir las superficies a nivel molecular más rápido de lo que crece una sola capa, que tiene lugar en aproximadamente un minuto, "dice el coautor, el Dr. Stephan Roth, jefe de la estación de medición P03, donde se llevaron a cabo los experimentos. "Las investigaciones con rayos X son adecuadas, ya que pueden rastrear el proceso de crecimiento en detalle ".

"Para comprender la evolución de la morfología superficial a nivel molecular, llevamos a cabo extensas simulaciones en un sistema de no equilibrio. Estos describen todo el proceso de crecimiento de las moléculas de C60 en una estructura reticular, "explica Kleppmann, Estudiante de doctorado en el grupo de la Prof. Sabine Klapp en el Instituto de Física Teórica, Technische Universität Berlin. "Nuestros resultados proporcionan conocimientos fundamentales sobre los procesos de crecimiento molecular de un sistema que forma un vínculo importante entre el mundo de los átomos y el de los coloides".

Mediante la combinación de observaciones experimentales y simulaciones teóricas, los científicos determinaron por primera vez tres parámetros energéticos principales simultáneamente para un sistema de este tipo:la energía de enlace entre las moléculas del fútbol, la llamada "barrera de difusión, "que una molécula debe superar si quiere moverse en la superficie, y la barrera de Ehrlich-Schwoebel, que una molécula debe superar si aterriza en una isla y quiere saltar desde esa isla.

"Con estos valores, ahora entendemos realmente por primera vez cómo estas nanoestructuras llegan a existir, "enfatiza Bommel". Usando este conocimiento, Es concebible que estas estructuras puedan cultivarse selectivamente en el futuro:¿Cómo debo cambiar mis parámetros de temperatura y tasa de deposición para que una isla de un tamaño particular crezca? Esto podría, por ejemplo, ser interesante para las células solares orgánicas, que contienen C60 ". Los investigadores tienen la intención de explorar el crecimiento de otros sistemas moleculares en el futuro utilizando los mismos métodos.