Bewegte Moleküle schreiben Buchstaben

Auf der Suche nach Hochleistungsmaterialien für Gasspeicherung, thermische Isolierung oder Nanomaschinen ist es entscheidend, das thermische Verhalten der Materialien bis auf die Ebene einzelner Moleküle zu verstehen. Die klassische Thermo­dynamik mittelt allerdings über einen Zeitraum und eine große Anzahl von Molekülen. Forscher der TU München und der Uni Linköping haben nun eine Methode entwickelt, mit der sie die Gleich­gewichts­thermo­dynamik von Einzelmolekülen mit atomarer Auflösung bei unterschiedlichen Temperaturen untersuchen können. Die Studie basiert auf einer Technologie, die es ermöglicht, Moleküle in zweidimen­sionalen Nanoporen einzuschließen, sowie auf umfangreichen rechnerischen Model­lierungen.

Florian Klappenberger von der TU München entwickelte eine Methode, um geordnete metall-organische Netzwerke auf einer Silber­oberfläche zu erzeugen. Das Netzwerk bildet Nanoporen, die die Bewegungs­freiheit einzelner adsorbierter Moleküle in zwei Dimensionen drastisch beschränken. Mit einem Rastertunnel­mikroskop konnten die Forscher die Bewegungen der Moleküle bei verschiedenen Temperaturen mit Sub-Nanometer-Auflösung vermessen. Parallel zu den Experimenten bauten die Forscher ausgeklügelte Computer­modelle auf, um die Temperatur­abhängigkeit der Dynamik der eingefangenen Moleküle zu modellieren. „Mit Hilfe von Supercomputern gelang es uns, die Wechselwirkungen und die Energie­landschaft der Bewegung der Moleküle zu beschreiben", sagt Jonas Björk von der Uni Linköping.

Beim Vergleich experimenteller und modellierter Daten erkannten die Wissenschaftler, dass sich unter bestimmten Bedingungen die integrale Theorie auf eine einfache Projektion der räumlichen Molekül­positionen reduzieren lässt. Dies ist ein Ansatz, der in der statis­tischen Mechanik häufig angewandt wird. Bisher war es aber unmöglich, damit ein Experiment zu beschreiben, denn ohne Beschränkung durch den zweidimen­sionalen Käfig wären unendlich viele mögliche Molekül­positionen und Energien zu berück­sichtigen.

Die zweidimensionalen Netzwerke schränken die Zahl der verfügbaren Konfigurationen eines einzelnen Moleküls ein. In Analogie zur Biologie hat eine solche Form der Einbindung das Potenzial, daraus Sensoren, Nanomaschinen und möglicher­weise Logik-Bausteine aufzubauen, die molekular kontrolliert werden können. Mit ihrem Wissen über die charakteris­tischen Gleichgewichts­konfigurationen modifizierten die Forscher Nanoporen so, dass ein eingefangenes Molekül durch präzise Einstellung der Temperatur Buchstaben des Alphabets, wie L, I und U nachbilden konnte.

TUM / RK