13.05.2005

Molekül unter Kontrolle

Französischen Physikern gelang mit Hilfe eines Raster-Tunnelmikroskops das gezielte Umschalten zwischen zwei stabilen Molekül-Zuständen.


Molekül unter Kontrolle

Französischen Physikern gelang mit Hilfe eines Raster-Tunnelmikroskops das gezielte Umschalten zwischen zwei stabilen Molekül-Zuständen.

Orsay (Frankreich) - Molekülkleine Nanomaschinen sollen einmal hocheffizient medizinische Wirkstoffe oder Atom für Atom beliebige Substanzen produzieren, die über herkömmliche Syntheseverfahren nicht zugänglich sind. Gehören sie heute noch in den Bereich spektakulärer Forschervisionen, wird schon intensiv über Kontrollmöglichkeiten dieser vielseitigen Module nachgedacht. Französischen Physikern gelang auf diesem langen Weg nun ein wichtiger Schritt. Mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops konnten sie ein einziges Molekül reversibel zwischen zwei stabilen Zuständen hin und her schalten. Ihren grundlegenden Ansatz beschreiben sie im Fachblatt "Science".

Die Kontrollaufnahmen mit dem Rastertunnelmikroskop zeigen zwei stabile Zustände ein und desselben Biphenyl-Moleküls. Französischen Physikern gelang über den Tunnelstrom des gleichen Mikroskops das gezielte Umschalten zwischen diesen Zuständen. (Quelle: Université Paris Sud, Science)

"Der Gebrauch von einzelnen Molekülen als funktionelle Nanomaschinen erfordert die Fähigkeit, diese anzutreiben und ihre vielen dynamischen Prozesse zu kontrollieren", sagt Mathieu Lastapis, Nanoforscher an der Université Paris Sud in Orsay. Zusammen mit seinen Kollegen konnten sie ein einzelnes Biphenyl-Molekül gezielt von einer stabilen Struktur in eine zweite umwandeln. Dazu nutzten sie die Nanometer feine Spitze eines Rastertunnelmikroskops. Nachdem sie einzelne Moleküle auf einer hochreinen Silziumoberfläche deponierten, kühlten sie ihre Probe im Ultrahochvakuum auf minus 268 Grad Celsius ab. Erschien das Biphenyl-Molekül bei einem Kontrollblick ebenfalls mit dem Rastertunnelmikroskop wie erstarrt, konnte es durch eine negative Spannung (-2 bis -5 Volt) zwischen Mikroskopspitze und Silizium-Oberfläche durch den resultierenden Tunnelstrom von 1,7 Nanoampère bewegt werden. Bei einer weiteren Kontrollmessung zeigte sich, dass das Molekül nicht nur seine Position geändert, sondern in die spiegelverkehrte Struktur übergegangen ist.

Neben dieser Strukturänderung konnten Lastapis und Kollegen das Molekül auch selektiv zu weiteren resonanten, elektronischen Zuständen anregen. All diese Prozesse ließen sich mehrere Tausend mal an ein und demselben Objekt wiederholen. Weder zerfiel das Molekül, noch desorbierte es von der tiefkalten Oberfläche. Als Ursache für den schaltbaren Strukturwechsel sehen die Forscher eine durch den Tunnelstrom angeregte Rotationsbewegung der beiden aromatischen Phenylringe des Moleküls um einen festen Bezugspunkt.

"Dieses Experiment belegt die Kontrollmöglichkeit der molekularen Dynamik eines einzelnen Moleküls durch die gezielte Lokalisierung von elektronischen Anregungen innerhalb des Moleküls", so Lastapis. Doch Biphenyl - besser bekannt unter der Bezeichnung E 230 und genutzt zum Pilzschutz von Zitrusfrüchten - muss selbst nicht als Nanomaschine der Zukunft angesehen werden. Vielmehr ging es den Forscher um den Beweis, dass sich prinzipiell mit den Spitzen von Rastertunnelmikroskopen einzelne Moleküle kontrolliert verändern lassen. Damit steht neben der Anregung von Molekülen mit einzelnen Photonen eine weitere Kontrolltechnik für die Nanowelt zur Verfügung.

Bereits letztes Jahr gelang Physikern vom IBM Forschungslabor in Rüschlikon bei Zürich ebenfalls mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops die Ionisation eines einzelnen Goldatoms. Auch dieser Prozess war umkehrbar. Die IBM-Forscher sehen potenzielle Anwendungen für neue Prozesse in der Datenverarbeitung und für die Kontrolle chemischer Reaktionen.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

  • M. Lastapis, M. Martin, D. Riedel, L. Hellner, G. Comtet, G. Dujardin, Picometer-Scale Electronic Control of Molecular Dynamics Inside a Single Molecule, Science 308, 1000 (2005). 
  • J. Repp et al., Controlling the Charge State of Individual Gold Adatoms, Science 305, 493. 
  • Université Paris-Sud, Orsay: 
    http://www.u-psud.fr 
  • Laboratoire de Photophysique Moléculaire, Gruppe Nanophysik: 
    http://www.ppm.u-psud.fr/En/nanophysics/nanophysics.html 
  • IBM-Forschungszentrum Zürich:
    http://www.zurich.ibm.com

Weitere Literatur:

  • C. Joachim, J. K. Gimzewski, Struct. Bonding 99, 1 (2001). 
  • B. C. Stipe, M. A. Rezaei, W. Ho, Phys. Rev. Lett. 81, 1263 (1998). 
  • J. I. Pascual, N. Lorente, Z. Song, H. Conrad, H.-P. Rust, Nature 423, 525 (2003). 
  • S. A. Rice, Nature 403, 496 (2000). 
  • D. Riedel, M. Lastapis, M. Martin, G. Dujardin, Phys. Rev. B 69, 121301 (2004). 
  • J. Mayne et al., Phys. Rev. B 69, 045409 (2004).

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