Utilizzando la sorgente di raggi X ultraluminosi PETRA III di DESY, i ricercatori hanno osservato in tempo reale come le molecole di carbonio a forma di calcio si dispongono in strati ultra lisci. Insieme a simulazioni teoriche, l'indagine rivela per la prima volta in dettaglio i fondamenti di questo processo di crescita, come riporta il team di Sebastian Bommel (DESY e Humboldt Universität zu Berlin) e Nicola Kleppmann (Technische Universität Berlin) sulla rivista scientifica Comunicazioni sulla natura . Questa conoscenza consentirà infine agli scienziati di adattare le nanostrutture di queste molecole di carbonio per determinate applicazioni, che giocano un ruolo sempre più importante nel promettente campo dell'elettronica plastica. Il team era composto da scienziati della Humboldt-Universität zu Berlin, Technische Universität di Berlino, Universität Tubinga e DESY.

Gli scienziati hanno studiato i cosiddetti buckyball. I Buckyball sono molecole sferiche, che consistono di 60 atomi di carbonio (C ₆₀ ). Perché ricordano le cupole geodetiche dell'architetto americano Richard Buckminster Fuller, erano battezzati buckminsterfullerenes o "buckyballs" in breve. Con la loro struttura di pentagoni ed esagoni alternati, assomigliano anche a piccoli palloni molecolari.

Utilizzando la sorgente di raggi X PETRA III di DESY, i ricercatori hanno osservato come i buckyball si depositano su un substrato da un vapore molecolare. Infatti, uno strato dopo l'altro, le molecole di carbonio crescono prevalentemente nelle isole alte solo una molecola e formano a malapena strutture simili a torri.." Il primo strato è completo al 99% prima che si formi l'1% del secondo strato, " spiega il ricercatore DESY Bommel, che sta completando il suo dottorato nel gruppo del Prof. Stefan Kowarik alla Humboldt Universität zu Berlin. Ecco come si formano strati estremamente lisci.

"Per osservare davvero il processo di crescita in tempo reale, avevamo bisogno di misurare le superfici a livello molecolare più velocemente di quanto cresca un singolo strato, che si svolge in circa un minuto, " dice il co-autore Dr. Stephan Roth, capo della stazione di misura P03, dove sono stati effettuati gli esperimenti. "Le indagini a raggi X sono adatte, in quanto possono tracciare nel dettaglio il processo di crescita."

"Per comprendere l'evoluzione della morfologia superficiale a livello molecolare, abbiamo effettuato ampie simulazioni in un sistema di non equilibrio. Questi descrivono l'intero processo di crescita delle molecole C60 in una struttura reticolare, " spiega Kleppmann, Dottoranda nel gruppo della Prof.ssa Sabine Klapp presso l'Istituto di Fisica Teorica, Technische Universität Berlino. "I nostri risultati forniscono informazioni fondamentali sui processi di crescita molecolare di un sistema che costituisce un importante collegamento tra il mondo degli atomi e quello dei colloidi".

Attraverso la combinazione di osservazioni sperimentali e simulazioni teoriche, gli scienziati hanno determinato per la prima volta contemporaneamente tre principali parametri energetici per un tale sistema:l'energia di legame tra le molecole di calcio, la cosiddetta "barriera alla diffusione, " che una molecola deve superare se vuole muoversi in superficie, e la barriera di Ehrlich-Schwoebel, che una molecola deve superare se atterra su un'isola e vuole saltare giù da quell'isola.

"Con questi valori, ora capiamo davvero per la prima volta come nascono tali nanostrutture, " sottolinea Bommel. "Utilizzando questa conoscenza, è concepibile che queste strutture possano essere coltivate selettivamente in futuro:come devo cambiare i miei parametri di temperatura e tasso di deposizione in modo che un'isola di una dimensione particolare cresca. Questo potrebbe, Per esempio, essere interessante per le celle solari organiche, che contengono C60." I ricercatori intendono esplorare la crescita di altri sistemi molecolari in futuro utilizzando gli stessi metodi.