29.05.2007

Millionen Schalter im Netzwerk

Forscher aus der Schweiz haben eine Oberfläche mit Millionen nanometergroßen Schaltern geschaffen, die sich mithilfe eines Rastertunnel-Mikroskops einzeln aktivieren lassen.



Forscher aus der Schweiz haben eine Oberfläche mit Millionen nanometergroßen Schaltern geschaffen, die sich mithilfe eines Rastertunnel-Mikroskops einzeln aktivieren lassen.

Wissenschaftlern des Nationalen Forschungsschwerpunkts Nanowissenschaften am Swiss Nanoscience Institute (SNI) ist ein weiterer wichtiger Schritt bei der Entwicklung funktionaler, adressierbarer supramolekularer Strukturen gelungen. Forschende der Universität Basel, des Paul Scherrer Instituts (Villigen) und der ETH Zürich haben eine Oberfläche mit Millionen von nanometergroßen Schaltern geschaffen. Diese Schalter aus Porphyrin-Molekülen lassen sich mithilfe eines Rastertunnel-Mikroskops einzeln aktivieren. Die Arbeit wurde in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ (International Edition) veröffentlicht.

Bei den Untersuchungen hat das Team um François Diederich, Hannes Spillmann und Thomas Jung zunächst Versuchsbedingungen geschaffen, damit sich Porphyrin-Moleküle selbst zu einem Netzwerk anordnen. Dabei bilden sich Poren aus jeweils sechs Molekülen. Weitere Porphyrin-Moleküle ordnen sich auf diesen Poren an. Je nach Temperatur verhalten sich die aufliegenden Porphyrine recht unterschiedlich. Bei 110 K (–160°C) befinden sie sich in einer von drei deutlich unterscheidbaren Positionen. Wird die Temperatur erhöht, springen sie zufällig zwischen diesen drei Positionen hin und her. Bei Raumtemperatur geschieht dies so schnell, dass sie frei zu rotieren scheinen. Bei Temperaturen unter –160°C lassen sich die Moleküle mithilfe eines Rastertunnel-Mikroskops ganz gezielt in eine andere Position bringen und können so als supramolekulare Schalter dienen.

Den Wissenschaftlern geht es bei ihren Untersuchungen vor allem darum, die Prinzipien der Selbstorganisation von Molekülen auf verschiedene adressierbare supramolekulare Strukturen zu erweitern und damit Grundlagen für technische Anwendungen zu erarbeiten. Ihre Forschung basiert auf Arbeiten von Jean-Marie Lehn, der in den 1980er-Jahren die ersten supramolekularen Strukturen herstellte und dafür 1987 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde.

Abb.: Sequenz von Rastertunnelbildern im Abstand von 148 Sekunden. Auf einer Kupferoberfläche ordnen sich Porphyrinmoleküle zu einem regelmäßigen, porösen Netzwerk an. Gleichzeitig besetzen die Moleküle freie Poren (je ein Molekül pro Pore wird durch zwei helle Punkte dargestellt) und nehmen dabei eine von drei möglichen Positionen ein. Bei Temperaturen über 110 K (–160 °C) springen die Moleküle spontan zwischen den Positionen (gekennzeichnet durch Pfeile). Bei niedrigeren Temperaturen kann die Position durch die Spitze eines Rastertunnelmikroskops kontrolliert gesteuert werden. (Quelle: Uni Basel)

Die Forscherteams aus Basel, Villigen und Zürich haben mit ihren Arbeiten eine gut definierte Anordnung supramolekularer Strukturen geschaffen, die sich individuell ansprechen lassen. Sie haben damit einen weiteren Grundstein gelegt, um technische Funktionen wie Datenspeicher durch schnelle und kostengünstige Selbstorganisation von Molekülen zu kreieren. Die hier gezeigten Strukturen sind bereits völlig wasserfrei und eignen sich daher besonders für technische Anwendungen.

Die Wissenschaftler des SNI haben bereits andere supramolekulare Strukturen vorgestellt. So veröffentlichten sie kürzlich Publikationen über winzige Porphyrin-Zahnräder in einem Perylen-Netzwerk und über ein Porphyrin-Netzwerk, das mit Kohlenstoff-Fußballmolekülen verschiedener Größe interagiert. „Alle diese Arbeiten tragen dazu bei, in Zukunft Datenspeicher, optische, chemische und logische Schaltelemente an Oberflächen kostengünstig in kleinsten Dimensionen herzustellen“, kommentiert Thomas Jung die Arbeiten seines Teams.

Quelle: Universität Basel

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