Bewegung im Nanokosmos

Hamburger Forschern gelang mithilfe eines Rasterkraftmikroskops die Bewegung von Molekülen zu messen und zu kontrollieren, die in anderen größeren Molekülen eingesperrt sind.

Wie die Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ in ihrer Online-Ausgabe vom 25. Mai 2008 berichtet, gelang es Forschern von der Universität Hamburg mithilfe eines Rasterkraftmikroskops die Bewegung von Molekülen, die in anderen größeren Molekülen eingesperrt sind, zu messen und zu kontrollieren. Diese herausragenden Forschungsergebnisse eröffnen völlig neuartige Wege für die Entwicklung von nanomechanischen Geräten, wie zum Beispiel molekulare Nano-Transporter.

Seit der Mensch den ersten Blick in den Nanokosmos warf, stand die Idee im Raum, diese winzige Welt der Atome und Moleküle gezielt zu manipulieren und molekulare Maschinen zu entwickeln, die selbständig beliebige Materialien und komplexe Systeme aus einzelnen Atomen und Molekülen aufbauen können. Immer wieder liest man von medizinischen Zukunftsvisionen, wie z. B. von Nano-Robotern, die durch den Blutkreislauf patrouillieren und gefährliche Viren aufspüren und bekämpfen. Den Nanokosmos können die Wissenschaftler inzwischen zwar mit aufwendigen Verfahren und großen Geräten gezielt Atom für Atom kontrollieren, aber molekulare Nano-Maschinen sind noch immer im Bereich der Science-Fiction angesiedelt. Nichtsdestotrotz wird an verschiedenen Antriebssystemen für solche Nano-Maschinen intensiv geforscht.

Abb. 1: Wie eine Erbsenschote - metallorganische Moleküle eingesperrt in Kohlenstoff-Nanoröhrchen. (Quelle: M. Ashino, Universität Hamburg)

Einen völlig neuen Ansatz eröffnen die Arbeiten der beiden Forscher Makoto Ashino und Roland Wiesendanger von der Universität Hamburg. Zusammen mit einem internationalen Team aus Wissenschaftlern vom Max Planck Institut für Festkörperforschung, der Technischen Universität von Eindhoven, der Universität Nottingham und der Universität Hong Kong fanden die Hamburger Forscher neue Möglichkeiten der Messung der Kräfte, die Moleküle innerhalb von anderen Molekülen bewegen.

Für ihre Experimente sperrten die Forscher metallorganische Moleküle in Kohlenstoff-Nanoröhrchen ein. Die dabei entstehende Struktur kann man sich wie eine Erbsenschote vorstellen (Abb. 1). Die so vorbereiteten Moleküle innerhalb von Nanoröhrchen wurden auf einer isolierenden Oberfläche platziert und mithilfe der berührungslosen Rasterkraftmikroskopie untersucht.

Abb. 2: Oberflächentopographie der „Erbsenschote“ - metallorganische Moleküle eingesperrt in Kohlenstoff-Nanoröhrchen. (Quelle: M. Ashino, Universität Hamburg)

Ein Rasterkraftmikroskop arbeitet nicht mit Licht, wie ein herkömmliches Lichtmikroskop, sondern es funktioniert ähnlich wie ein Plattenspieler. An einem mikroskopisch kleinen Federbalken befindet sich eine atomar scharfe Spitze, die über eine Oberfläche gerastert wird. Die Auslenkung des Federbalkens wird mithilfe eines Laserstrahls bestimmt und aus den daraus resultierenden Daten am Computer eine dreidimensionale Abbildung der Oberfläche erzeugt. Im berührungslosen Modus eines Rasterkraftmikroskops schwingt der Federbalken über der Oberfläche, ohne dass die Spitze diese berührt.

Neben der Untersuchung der Oberflächentopographie (Abb. 2) der „Erbsenschote“ ermittelten die Wissenschaftler auch gleichzeitig die Energie, die der vibrierenden Spitze des Rasterkraftmikroskops verloren ging, während sie über die Oberfläche der Struktur bewegt wurde. Dadurch konnten die Hamburger Wissenschaftler erstmalig die Kräfte, die die kleinen metallorganischen Moleküle innerhalb der Kohlenstoff-Nanoröhrchen bewegen, messen und sogar gezielt kontrollieren. Dies stellt einen entscheidenden Durchbruch in der Erforschung von molekularen Maschinen und molekularen Transportern dar, die für die weitere Entwicklung der Nanotechnologie eine hohe Bedeutung haben.

Quelle: Kompetenzzentrum Nanoanalytik

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Makoto Ashino, Dirk Obergfell, Miro Halus caronka, Shihe Yang, Andrei N. Khlobystov, Siegmar Roth & Roland Wiesendanger, Atomically resolved mechanical response of individual metallofullerene molecules confined inside carbon nanotubes, Nature Nanotechnology (Online-Veröffentlichung: 25 Mai 2008).
  http://dx.doi.org/10.1038/nnano.2008.126
• Sonderforschungsbereich 668 - Magnetismus vom Einzelatom zur Nanostruktur:
  http://www.sfb668.de
• Institut für Angewandte Physik, Universität Hamburg:
  http://www.physnet.uni-hamburg.de/institute/IAP/angew.html
• Kompetenzzentrum Nanoanalytik:
  http://www.nanoscience.de