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Rubrik: Tagesberichte |
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Porphyrinmolekül ordnet sich selbst Nano-Schalter aus Molekülen | |
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Forscher der ETH Zürich, des PSI und der Universität Basel haben mit Hilfe eines speziellen Porphyrinmoleküls, das sich selber zu einer regelmässigen supramolekularen Struktur organisiert, einen Weg gefunden, einen Nanoschalter zu produzieren. Ein neuer Weg zum Datenspeicher der Zukunft? In den vergangenen Jahren haben sich viele Wissenschaftler auf die Suche nach künstlichen molekularen Apparaten konzentriert. Einem Forscherteam von der Universität Basel, der ETH Zürich und des Paul Scherrer-Instituts ist es nun gelungen, unter bestimmten Bedingungen ein Netz von molekularen Schaltern in Nanogrösse herzustellen und diese einzeln zu betätigen. Die Arbeit wird heute in der neuen internationalen Ausgabe der Zeitschrift "Angewandte Chemie" publiziert. (1) Porphyrin auf Kupfer bei Tiefsttemperaturen Die Forscher haben dazu im Ultrahochvakuum Porphyrinmoleküle auf einen Träger aus Kupfer aufgedampft, worauf sich diese Moleküle zu einem regelmässig geordneten Netzwerk mit sechseckigen Poren zusammenschliessen. Jedes Porphyrinmolekül grenzt an zwei benachbarte Poren. Mit dem Rastertunnelmikroskop erkannten die Forscher zudem, dass bei einer Temperatur von -196° C auf einigen Poren ein weiteres Teilchen sass, das sie ebenfalls als Porphyrinmolekül interpretierten, da sie keine weiteren Substanzen auf das Kupfer aufgebracht hatten. Dieser unerwartete „Gast“ kann aufgrund der sechseckigen Porenform ebenso viele Orientierungen einnehmen. Drei davon sind mit dem Rastertunnelmikroskop zu unterscheiden. Je wärmer es wird, desto rascher wechseln die Gastmoleküle die Ausrichtung. Bei Raumtemperatur geschieht dies so schnell, dass das Molekül zu rotieren scheint. Unter dem Rastertunnelmikroskop erscheint die Pore gefüllt. Jede Pore einzeln ansteuerbar Weil die aufliegenden Porphyrinmoleküle in ein Netz von Nanoporen eingebettet sind, können bei Temperaturen unter -160 Grad Celsius Poren individuell angesteuert werden. Mit der Spitze des Rastertunnelmikroskops kann das aufliegende Molekül in eine andere Position gebracht werden. Dadurch kann eine solche Einheit als eine Art supramolekularer Schalter funktionieren. Entsprechend der Gesetze, die auf dieser Skala gelten, dreht sich das Molekül aber nicht wie ein Rad, sondern hüpft zufällig ohne eine Richtung zu bevorzugen in eine andere Position. Die beiden Mitautoren der Studie, ETH-Professor für Organische Chemie, François Diederich, und PSI-Forscher Thomas Jung vom Labor für Mikro- und Nanotechnologie sehen in dieser Entdeckung bisher unbekannte Möglichkeiten, neue Materialien, Schaltelemente oder Datenspeicher zu bauen. “Die Entwicklung der Halbleiter in der Mikro- und Nanotechnik stösst mittelfristig an physikalische und technologische Grenzen“, sagt Diederich, und „die hier zum ersten Mal gezeigten supramolekularen Strukturen eröffnen ganz neue Möglichkeiten, diese Hürden zu überspringen.“
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Diese Struktur sei aber lediglich eine erste Demonstration eines solchen Schalters. Doch habe seine Architektur enormes Potenzial, und zwar dank der Kombination von synthetischer und supramolekularer Chemie mit physikalischen Techniken zur Erschliessung von molekularen Schaltern auf der Nanometerskala. Dieses Potenzial werde auch von der „Information Technology Roadmap for Semiconductors“, einem regelmässig erscheinenden Strategiepapier der Halbleiter produzierenden Industrie bestätigt. "Heute haben wir im Labor einen Durchbruch erzielt, der in den kommenden zehn Jahren ganz neue Möglichkeiten eröffnet, mit Molekülen Datenspeicher, Sensoren und elektronische Schaltelemente zu entwickeln", ergänzt Jung. Tiefe Temperaturen problematisch Der Zusammenschluss von vielen einzelnen Strukturen und die Integration in die heutige Technologie – durch Drähte und Kontakte - ist noch ein grosses Problem. Eine weitere Hürde sind auch die tiefen Temperaturen, welche die Schalterfunktion bei diesem Molekülkomplex erst ermöglichen. Grössere Bindungskraft nötig Diederich und Jung sind jedoch überzeugt, dass zukünftige Forschung und Entwicklung Wege aufzeigen werden, die diese Schaltprozesse bei idealen Temperaturen ermöglichen. Dazu gehört etwa die Erforschung anderer Moleküle und Materialien, die eine vergleichbare supramolekulare Architektur, aber mit grösserer Bindungskraft zwischen dem „Rotor“, dem aufsitzenden Molekül, und dem „Stator“, dem porösen Netzwerk, aufweisen. Seit den 80er Jahren nutzen Wissenschaftler die Prinzipien der Selbstorganisation von Molekülen dazu, einzeln anwählbare supramolekulare Strukturen als Grundlagen für technische Anwendungen zu schaffen. Die erste derartige Struktur schuf der französische Chemiker Jean-Marie Lehn, wofür 1987 der Nobelpreis verliehen wurde. |
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