16.03.2026 Molekülketten mit Biss: Team aus Marburg und Gießen erzielt Durchbruch in der Polymerforschung

Neue ringöffnende Polymerisation auf Kupferoberflächen liefert ultralanges Poly(p-phenylene) – Grundlage für atomar präzise Kohlenstoff-Nanobänder

Die Illustration zeigt, wie ringförmige Moleküle zu langen Ketten werden: Aus stark gespannten [6]Cycloparaphenylen-Ringen entstehen auf einer Metalloberfläche durch Ringöffnung extrem lange Ketten des leitfähigen Polymers Poly(p-phenylen). Die Ringe „entrollen“ sich dabei zu linearen Molekülketten – symbolisiert durch eine metallische Schlange aus aneinandergereihten Phenylringen. Der Biss der Schlange steht für den entscheidenden Reaktionsschritt: Die wachsende Kette greift ein weiteres Ringmolekül an, öffnet es und verlängert sich dadurch Stück für Stück.

Die längsten bislang hergestellten Ketten des leitfähigen Polymers Poly(p-phenylene) (PPP) sind knapp einen Mikrometer (tausendstel Millimeter) lang – fast eine Größenordnung länger als bisher möglich. Ein Forschungsteam aus Chemie und Physik um Prof. Dr. Michael Gottfried von der Philipps-Universität Marburg zeigt damit erstmals, dass sich PPP über eine spezifische ringöffnende Polymerisation als echtes Kettenwachstum („chain-growth“) auf Oberflächen synthetisieren lässt. Der statistisch häufigste gemessene Längenwert liegt bei rund 170 Nanometern – mit einem Ausreißer bis nahe 1.000 Nanometer. Rekord. Der neue, halogenfreie Prozess kommt ohne störende Nebenprodukte aus und eröffnet so einen besonders sauberen Zugang zu ultralangen, konjugierten Polymerketten. Die Ergebnisse veröffentlicht das interdisziplinäre Team von Uni Marburg, Gießen, Leipzig und chinesischen Forschenden im Fachmagazin „Nature Chemistry“ (DOI: https://www.nature.com/articles/s41557-026-02092-y).

Gezieltes Kettenwachstum

Der Chemiker Prof. Dr. J. Michael Gottfried

Im Unterschied zu bisherigen oberflächenbasierten Kopplungsreaktionen, bei denen viele kurze Molekülstücke zufällig zusammenfinden, wächst hier eine Kette kontrolliert an einem Ende weiter: Vorgespannte Ringmoleküle werden dazu auf einer Kupferoberfläche im Ultrahochvakuum durch das reaktive Kettenende geöffnet und angefügt. „Dieser Mechanismus verhindert Nebenprodukte, die sonst die Oberfläche für weitere Reaktionen blockieren würden“, berichtet der Chemiker Michael Gottfried. Mithilfe hochauflösender Rastertunnelmikroskopie (STM) und nicht-kontaktierender Rasterkraftmikroskopie (nc-AFM) mit funktionalisierter Spitze konnten die Forschenden einzelne Bindungen direkt sichtbar machen. Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) und NEXAFS-Messungen belegten zusätzlich die chemischen Veränderungen während der Reaktion. Dichtefunktionaltheorie-Simulationen der Universität Leipzig untermauerten den vorgeschlagenen Reaktionsweg und erklärten die energetischen Vorteile des Kettenwachstums. Aus den ultralangen PPP-Ketten lassen sich durch gezieltes Erhitzen über spezifische Zwischenstufen neuartige Nanobänder mit Längen bis etwa 40 Nanometern erzeugen. „Aus zwei Ketten machen wir später wie bei einem Reißverschluss ein neues Band aus Kohlenstoff“, erklärt Gottfried.

Anwendungspotenziale für molekulare Halbleiterbauelemente

Die Arbeit ist Grundlagenforschung im besten Sinne: Sie erweitert das chemische Werkzeugset zur Herstellung atomar präziser Kohlenstoff-Strukturen – potenzieller Bausteine künftiger molekularer Elektronik, organischer Transistoren oder neuartiger Halbleiter-Nanobändern. „PPP zählt zu den konjugierten Polymeren, deren elektronische Eigenschaften stark von Kettenlänge und struktureller Perfektion abhängen“, kommentiert Gottfried. Zugleich dienen die nun zugänglichen ultralangen Ketten als Ausgangspunkt für definierte Kohlenstoff-Nanobänder mit maßgeschneiderten Eigenschaften.

Kollaboration der kurzen Wege

Möglich wurde der Durchbruch durch das enge Zusammenspiel von chemischem Design, Oberflächenphysik, hochauflösender Mikroskopie und Theorie im LOEWE-Schwerpunkt „Principles of On-Surface Synthesis (PriOSS)“, einem gemeinsamen Projekt der Universitäten Marburg und Gießen. Kurze Wege, interdisziplinäre Expertise und die konsequente Verbindung von Idee, Experiment und atomarer Bildgebung – dieser „Marburg-Gießen Spirit“ macht es möglich, Moleküle wie nach einem Bauplan zu konstruieren und ihre Entstehung Schritt für Schritt sichtbar zu machen. „Die Arbeit von Michael Gottfried und seinem Team zeigt eindrucksvoll, welches Potenzial in der engen Zusammenarbeit der Universitäten Marburg und Gießen im Forschungscampus Mittelhessen liegt“, sagt Vizepräsident für Forschung Prof. Dr. Gert Bange. „Durch die Bündelung komplementärer Expertise entstehen hier wissenschaftliche Durchbrüche und neue Perspektiven für atomar präzise Materialien und zukünftige Halbleitertechnologien.“

Onlinepublikation: Qitang Fan, J. Michael Gottfried et al., On-Surface Radical Ring-Opening Polymerization Produces Ultra-Long Poly(p-phenylene) for Access to Nonbenzenoid Carbon Nanoribbons, Nature Chemistry (2026) https://www.nature.com/articles/s41557-026-02092-y