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In order to investigate molecular recognition on surfaces, an azide-functionalized monolayer was deposited on gold. The monolayer was characterized by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and angle-resolved near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) experiments and the decomposition of the azide upon irradiation with X-ray beams was investigated. Subsequently, various alkyne-functionalized host and guest molecules were attached to the azide by 1,3-dipolar cycloaddition. These modified surfaces and their host–guest chemistry were analysed by XPS and angle-resolved NEXAFS. The reversibility of guest binding was shown for one example as a proof of principle.
Interfaces provide the structural basis for function as, for example, encountered in nature in the membrane-embedded photosystem or in technology in solar cells. Synthetic functional multilayers of molecules cooperating in a coupled manner can be fabricated on surfaces through layer-by-layer self-assembly. Ordered arrays of stimulus-responsive rotaxanes undergoing well-controlled axle shuttling are excellent candidates for coupled mechanical motion. Such stimulus-responsive surfaces may help integrate synthetic molecular machines in larger systems exhibiting even macroscopic effects or generating mechanical work from chemical energy through cooperative action. The present work demonstrates the successful deposition of ordered mono- and multilayers of chemically switchable rotaxanes on gold surfaces. Rotaxane mono- and multilayers are shown to reversibly switch in a coupled manner between two ordered states as revealed by linear dichroism effects in angle-resolved NEXAFS spectra. Such a concerted switching process is observed only when the surfaces are well packed, while less densely packed surfaces lacking lateral order do not exhibit such effects.
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Herstellung von programmierbaren, supramolekularen Multischichten und Komposit-Multischichten auf Gold- und Siliziumoberflächen durch Anwendung eines koordinationschemischen Schicht-auf-Schicht-Selbstorganisationsverfahrens und den damit verbundenen Synthesen, Beschichtungen und Analysen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde zunächst eine Vielzahl von pyridin- und terpyridinterminierten selbstorganisierten Monoschichten (SAM) hergestellt und auf Gold- und Siliziumoberflächen abgeschieden. Die Abscheideprozedur wurde optimiert wobei zur Analytik der Oberflächen Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), winkelabhängiger kantennaher Röntgenabsorptionsfeinstrukturspektroskopie (NEXAFS-Spektroskopie), Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS), Transmissions-UV/Vis-Spektroskopie sowie Rasterkraftmikroskopie (AFM) eingesetzt wurde. Es konnte gezeigt werden, dass sich hochgeordnete monomolekulare und gemischte Monoschichten erzeugen lassen. Die terminalen funktionellen Gruppen dieser SAMs konnten als Ligand zur Komplexbildung mit Übergangsmetallionen verwendet werden.
Diese koordinative Haftschicht wurde zur Verknüpfung zunächst von Testliganden und später von terpyridin-terminierten Tetralactam-Makrozyklen (TLM) und darauf basierenden Etherrotaxanen verwendet. Hierbei wurden ebenfalls die Beschichtungsbedingungen optimiert, um einen vollständigen Bedeckungsgrad zu erreichen. Unter Verwendung dieser Bedingungen wurden anschließend Multischichten aus TLMs und Fe(II)-Ionen sowie alternierend Fe(II) und Ni(II) abgeschieden. Die Analyse der hergestellten Multischichten zeigte reproduzierbar ein regelmäßiges, kontrollierbares Wachstum und eine Vorzugsorientierung. Durch den Einsatz von pyridin- und terpyridin-terminierten TLMs mit variierenden Metallionen konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, die Abfolge verschiedener Schichten der Multischicht gezielt festzulegen.
Im weiteren Verlauf der Arbeit wurden pyridin-terminierte Goldnanopartikel hergestellt und in die Multischichten integriert, um so Komposit-Multischichten herzustellen. Letztlich konnte gezeigt werden, dass die erzeugten Multischichten genutzt werden können, um über nicht-kovalente Wechselwirkungen reversibel Gastmoleküle zu binden und freizusetzten.