24.11.2020

Molekulare Telegraphie

Einzelne Moleküle lassen sich präzise senden und empfangen.

Wie lassen sich einzelne Moleküle gezielt von einem Ort an einen anderen und wieder zurück transferieren? Und wie schnell wären die Moleküle? Diesen Fragen ist eine Forschungs­gruppe der Universität Graz in Kooperation mit Wissen­schaftlern aus Aachen und Tennessee nachgegangen. „Durch die gezielte Bewegung einzelner Moleküle können wir Einblick in grundlegende physikalische und chemische Prozesse gewinnen, die für die Molekül­dynamik – beispiels­weise während chemischer Reaktionen oder in der Katalyse – von Bedeutung sind“, erklärt Leonhard Grill, Leiter der Grazer Arbeits­gruppe.

Abb.: Ein Molekül wandert vom Sender zum Empfänger. Über die Spitzen des...
Abb.: Ein Molekül wandert vom Sender zum Empfänger. Über die Spitzen des Rastertunnel­mikroskops lässt sich die Bewegung exakt steuern. (Bild: Grill, U. Graz)

In ihren Versuchen brachten die Wissen­schaftler organische Moleküle mit einer Länge von etwa zwei Nanometern auf einer Silber­oberfläche mit der feinen Metallspitze eines Rastertunnel­mikroskops in eine besondere Ausrichtung, in der sie sogar bei -266° Celsius noch extrem mobil sind. „Wir konnten zeigen, dass sich die Moleküle trotz der sehr flachen Oberfläche entlang einer einzigen Atomreihe, also nur in eine Richtung, bewegen“, sagt Grill.

Wenn nun ein elektrisches Feld eingeschaltet wird, lassen sich durch elektro­statische Kräfte einzelne Moleküle wie auf Schienen perfekt entlang einer geraden Linie bewegen. Dadurch können diese Teilchen – je nach Ausrichtung des Feldes – entweder durch die abstoßende Wirkung gezielt gesendet oder durch die Anziehungs­kraft aus großer Distanz empfangen werden. Dies geschieht über verhältnis­mäßig weite Strecken von 150 Nanometer, gleichzeitig mit extrem hoher Präzision von einem hundertstel Nanometer. „Während dieses Vorgangs ist es uns außerdem gelungen die Zeit zu messen, also die Geschwin­digkeit eines einzelnen Moleküls direkt zu bestimmen“, ergänzt Grill. Diese lag bei etwa einem Zehntel Millimeter pro Sekunde. „Das eröffnet völlig neue Möglichkeiten für die Unter­suchung mole­kularer Energien während chemischer Reaktionen.“

Darüber hinaus konnten die Forscher ein Sender-Empfänger-Experiment realisieren, bei dem ein einzelnes Molekül zwischen zwei Orten gezielt transferiert wurde: Zwei getrennte Rastertunnel­mikroskopspitzen werden zunächst geeignet positioniert, dann die Senderspitze vom anziehenden in den abstoßenden Modus umgeschaltet. Dadurch bewegt sich das Molekül exakt an den Ort der Empfänger­spitze und transferiert die im Teilchen enthaltene Information wie etwa die Element­zusammensetzung oder atomare Anordnung mit hoher räumlicher Präzision.

U. Graz / JOL

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