Quantenblick auf chemische Bindungen

Ein „Quantenblick“ auf die chemischen Bindungen in einem 2D metall-organischen Netzwerk. Bild: Uni Graz / Windischbacher

Physiker der Universität Graz konnten nun erstmals, gemeinsam mit internationalen Partnern, die Natur der chemischen Bindungen in ultradünnen 2D-Materialien aufklären. Die von ihnen genutzte Methode der Photoemissions-Orbitaltomographie trägt dazu bei, metall-organische Netzwerke, deren Entdeckung mit dem diesjährigen Chemienobelpreis gewürdigt wurde, als Hoffnungsträger für zukünftige Quantentechnologien zu etablieren.

Zweidimensionale metall-organische Netzwerke (sogenannte MOFs) sind selbstorganisierende, nur eine atomare Lage „dicke“ Materialien, deren maßgeschneiderte Eigenschaften sie zu idealen Kandidaten für eine Reihe zukünftiger Technologien machen. Insbesondere in den Bereichen Photovoltaik und Spintronik - der Grundlage für die nächste Computergeneration, die auf den fundamentalen Eigenschaften einzelner Atome basiert - werden die Eigenschaften von MOFs intensiv erforscht.

Dominik Brandstetter vom Institut für Physik, zusammen dem Team um Prof. Puschnig und Kollegen vom Forschungszentrum Jülich (Deutschland), hat nun im Rahmen seiner Dissertation entscheidende Hinweise zum Bindungsmechanismus gefunden, der für die Struktur dieser Materialien entscheidend ist. Mithilfe der Photoemissions-Orbitaltomographie konnte er zeigen, wie sich die Elektronenwolken von Metallen und organischen Molekülen zu einer stabilen kovalenten Bindung neu anordnen. Obwohl solche Bindungen bereits seit den Anfängen der Quantenmechanik theoretisch vorhergesagt wurden, bedurfte es für den direkten Nachweis einer Kombination aus hochpräziser Photoemissionsspektroskopie und modernsten quantenmechanischen Berechnungen. Die Messungen wurden an der Synchrotron-Quelle in Triest durchgeführt, die Simulationen am Austrian Scientific Computing Zentrum. Damit konnte die Bindung erstmals in einem aus Ni-Atomen und TCNQ-Molekülen bestehenden MOF-Netzwerk direkt beobachtet werden.

Die Studie enthüllt nicht nur die charakteristische Energieaufspaltung, die Rückschlüsse auf die einzelnen Energieniveaus erlaubt, sondern klärt auch, wie die Symmetrie des Netzwerks den Charakter der neuen Zustände prägt. Dieses detaillierte Verständnis der elektronischen Struktur ist die Voraussetzung dafür, die Eigenschaften zukünftiger 2D-Materialien durch gezielte atomare Veränderungen maßzuschneidern - ein entscheidender Schritt für das rationale Design von Funktionsmaterialien.

Die Studie wurde unter anderem durch den European Research Council Synergy Grant „Orbital Cinema“ finanziert.

D. Brandstetter, S. Mearini, A. Windischbacher, Y. Y. Grisan Qiu, D. Baranowski, V. Feyer, C. M. Schneider, P. Puschnig
Revealing the Character of Coordination Bonding in 2D Metal-Organic Frameworks.
Advanced Science, 7^th October 2025, https://doi.org/10.1002/advs.202510414

Peter Puschnig

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