Peptide als Photodiode

Japanische Forscher haben eine molekulare Photodiode aus biologischen Molekülen gebaut. Fällt Licht auf das Modul, lässt sich der Elektronenfluss schalten.

Kyoto (Japan) - Elektronische Schaltkreise brauchen neben dem klassischen Transistor auch weitere Bauteile wie Kondensatoren oder Dioden. Für die Nanochips der Zukunft bieten sich bereits heute winzige, leitende oder halbleitende Röhrchen aus Kohlenstoff für Transistoren, Kondensatoren und Drähte an. Japanische Forscher schafften es nun, aus biologischen Molekülen, den Peptiden, eine molekulare Photodiode im Nanomaßstab zu entwickeln. Verankert auf einer Gold-Oberfläche konnten diese Module auf ein Lichtsignal hin die Richtung von elektrischen Strömen beeinflussen. Über diesen Fortschritt aus der Nanobiotechnologie berichten sie im Fachblatt "Science".

"Dieses molekulare System besteht aus zwei Peptid-Helices und kann durch die Wahl der Wellenlänge des einfallenden Lichts geschaltet werden"; schreiben Shiro Yasutomi und Kollegen von der Universität in Kyoto. Die rund 1,5 Nanometer kleinen Molekülketten bestehen aus einzelnen Sequenzen von L- und D-Leucin und alpha-Aminoisobuttersäure. An diese Helixstrukturen knüpften die Forscher lichtempfindliche Einheiten, so genannte Chromophore (SSL16ECz, Rul16SS). Fällt nun Licht auf diese Makromoleküle, bildet sich entlang der Helixstruktur ein Dipolmoment aus. "Wir entdeckten, dass die Richtung eines Stromflusses durch die Ausrichtung des Dipolmoments bestimmt wird", so Yasutomi. Genau diese Eigenschaft bildet die Grundlage, diese Nanostruktur als Photodiode verwenden zu können.

Fällt Licht auf die an einer Goldoberfläche verankerten Peptidstränge, bildet sich entlang ihrer Helixtsruktur ein Dipolmoment aus, das die Richtung des Stromflusses bestimmt. In Abhängigkeit von der angeknüpften Chromophoren-Einheit (ECz bzw. Ru) wird ein Stromfluss von jeweils einer anderen Wellenlänge geschaltet. (Quelle: Yasutomi/Science)

In Abhängigkeit von der angeknüpften Chromophoren-Einheit wird ein Stromfluss von jeweils einer anderen Wellenlänge geschaltet. So reagierte die eine Photodiode auf monochromatisches Licht mit der Wellenlänge von 351 Nanometer. Es bildete sich ein Dipolmoment im Molekül aus, entlang der Fluss eines Fotostroms begünstigt wurde. Die andere Peptidstruktur dagegen reagierte analog bei einer Wellenlänge von 459 Nanometern. Durch eine geschickte Anordnung dieser Moleküle floss der Strom allerdings in die genau entgegengesetzte Richtung. Beide Strukturen zusammen erlauben dadurch über die Farbe des einfallenden Lichts eine gute Kontrolle über den Stromfluss.

Dieses für eine Photodiode interessante Verhalten von Makromolekülen ist allerdings nicht vollkommen neu. So zeigten bereits bestimmte Oligomere ein ähnliches Schaltverhalten. Der große Vorteil der neuen Peptid-Stränge liegt aber in einem selbstorganisierten Ordnungsverhalten. So richten sie sich auf einer mit Disulfid präparierten Goldoberfläche streng in senkrechter Richtung aus. Genau diese Eigenschaft der Selbstorganisation von Biomolekülen kann den Nanoforschern helfen, exakte Strukturen ohne ein spezielles Nanowerkzeug - wie z. B. die Spitze eines Kraftmikroskops - und mit geringem Zeitaufwand herzustellen. Allerdings ist noch mit einigen Jahren Forschungsarbeit zu rechnen, bis solche molekularen Photodioden tatsächlich in erste Schaltkreise eingebaut werden.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• S. Yasutomi et al., A Molecular Photodiode System That Can Switch Photocurrent Direction, Science 304, 1944 (2004).   
• Universität von Kyoto: 
  http://www.kyoto-u.ac.jp/index-e.html   
• Fachbereich für Materialchemie: 
  http://www.mc.kyoto-u.ac.jp/english/   
• Prinzip Photodiode: 
  https://www.fh-aschaffenburg.de/physikformeln/daten/kap_25/node100.htm   
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Photodiode finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Festkörperphysik.

Weitere Literatur:

• Y. Huang et al., Science 294, 1313 (2001).   
• S. P. Dudek, H. D. Sikes, C. E. D. Chidsey, J. Am. Chem. Soc. 123, 8033 (2001).   
• K. Fujita et al., Langmuir 14, 6167