2013 Dezember

Zeitaufgelöste Abbildung von kalten Molekülen auf einem Molekülchip

Wednesday, 18th December 2013Ausgewählte Publikationen

Auf der Suche nach immer mehr Kontrolle über Moleküle haben Wissenschaftler des Fritz-Haber-Instituts ihrem Molekülchip die letzte fundamentale Komponente hinzugefügt: Sie können die Moleküle direkt auf dem Chip nachweisen. Und nicht nur das, sie können dies sogar zeitaufgelöst tun.

Molekülchip mit integrierter Detektion. Die Moleküle werden in der Detektionszone auf dem Chip ionisiert und dann mittels Ionenoptik abgebildet, um ein zweidimensionales Bild der Molekülverteilung zu erhalten.

Der Molekülchip ist das Analogon zum Atom- bzw. Ionenchip. Aber während diese beiden bereits sehr weit entwickelt sind und Systeme aus wenigen Teilchen oder sogar einzelne Teilchen kontrollieren können, steckt die Entwicklung des Molekülchips noch in den Kinderschuhen.
Im Moment bestehen Molekülchips  aus einer Anordnung von Mikroelektroden auf einem Glas- oder Siliziumsubstrat. Sie waren bisher in der Lage, kalte Moleküle zu fangen und deren interne (Anregungen im Molekül) und externe Freiheitsgrade (äußere Eigenschaften wie Position und Geschwindigkeit) zu kontrollieren. Den Nachweis aber musste man mit externen Detektoren durchführen, die sich verhältnismäßig weit vom Chip entfernt befanden. Sollten jedoch auch kurzlebige Quantenzustände der Moleküle sowie die räumliche Dynamik von Molekülwechselwirkungen untersucht werden, waren die langen Flugzeiten zu den Detektoren alles andere als günstig.
In ihrer neuesten Arbeit, publiziert in der Zeitschrift Physical Review Letters, beschreiben Silvio Marx und seine Kollegen, wie sie ihren Molekülchip so weiterentwickelt haben, dass die Moleküle in einer integrierten Detektionszone ionisiert werden. Diese Ionen werden mit Ionenoptiken (Metallelektroden, an die man eine elektrische Spannung anlegt, um die Ionen z.B. zu beschleunigen oder zu fokussieren), die ebenfalls im Chip integriert sind, befördert und mit weiteren Ionenlinsen auf einem Detektor abgebildet, der die ursprüngliche Verteilung der Moleküle im Raum anzeigt. Zudem kann dies zeitaufgelöst erfolgen, sodass man die zeitliche Entwicklung des Systems verfolgen kann. Das gibt den Wissenschaftlern wertvolle Informationen über die Zustandsverteilung der Moleküle, woraus man zum Beispiel die Temperatur der Moleküle ablesen kann.
Damit haben die Wissenschaftler eine Möglichkeit geschaffen, Moleküle auf einem Chip zu fangen, zu manipulieren und nachzuweisen – ein neuer und aussichtsreicher Weg, um kalte Moleküle zu erforschen.

Originalveröffentlichung:
Imaging Cold Molecules on a Chip
S. Marx, D. Adu Smith, M. J. Abel, T. Zehentbauer, G. Meijer, and G. Santambrogio
Phys. Rev. Lett. 111, 243007 (2013)
Link: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v111/i24/e243007
Zusammenfassung: http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.111.243007


Jedes Atom zählt

Monday, 2nd December 2013Ausgewählte Publikationen

Forscher kontrollieren die chemische Reaktion eines einzelnen Moleküls mit nur einem Atom

Die atomare Umgebung jedes einzelnen Moleküls hat großen Einfluss auf chemische Prozesse. Das ist zum Beispiel in der Katalyse von fundamentaler Bedeutung. Diese Umgebung jedoch war auf der Ebene einzelner Atome bisher nicht beeinflussbar. Eine Forschergruppe am Fritz-Haber-Institut in Berlin hat nun in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universität Liverpool und der polnischen Akademie der Wissenschaften herausgefunden, wie sich ein Protonentransfer innerhalb eines einzigen Moleküls mit Hilfe einzelner Atome und Moleküle in seiner Nähe kontrollieren lässt. Die Kenntnis solcher molekularer Prozesse birgt ein gewaltiges Potential für künftige Anwendungen der Nanotechnologie. Ihre Forschungsergebnisse haben sie im international renommierten Fachmagazin „Nature Chemistry“ veröffentlicht.

Um genau zu wissen, wie der chemische Prozess innerhalb eines einzelnen Moleküls auf einer Kupferoberfläche abläuft, verwendeten die Forscher ein Rastertunnelmikroskop, mit dessen nur ein Atom dicker Spitze einzelne Moleküle beobachtet werden können. Durch einen Spannungspuls injizierten sie Elektronen in ein Molekül. Durch die Injektion veränderte sich die Erscheinung des Moleküls. Die Wissenschaftler schlossen daraus, dass sie einzelne Protonen innerhalb des Moleküls transferiert hatten – ein Prozess, der in der Natur von großer Bedeutung ist, aber auch von Interesse in der Nanotechnologie für Schaltprozesse in einzelnen Molekülen. Dabei war die exakte Positionierung der Elektroneninjektion von großer Bedeutung. Sie musste mit einer extrem hohen Präzision von etwa 1 Ångström, also 10-10 bzw. einem Zehnmillionstel Millimeter, platziert werden.

Um diesen Prozess auch kontrollieren zu können, entnahmen sie der Oberfläche ein einzelnes Kupferatom und verschoben es mit der Spitze des Rastertunnelmikroskops sehr exakt an einen anderen Ort. Wurde es in der Nähe des Moleküls platziert, veränderte sich die Rate des Protonentransfers dramatisch. Die Positionierung des Atoms an verschiedenen Stellen ergab, dass dieser Einfluss nicht nur bei erstaunlich großen Molekül-Atom-Abständen wirksam ist, sondern auch von der genauen Lage des Atoms abhängt. Es ist also möglich, mit einem einzelnen Atom je nach Position die Transferrate gezielt zu erhöhen oder zu verringern.

Dieser unerwartete Effekt ließ sich auch auf Anordnungen aus mehreren Molekülen erweitern. Die Forscher fanden heraus, dass sogar die Position der Protonen im Molekül Einfluss auf das Nachbarmolekül ausübt, wodurch positive sowie negative Kooperativität in Molekülreihen verschiedener Länge direkt beobachtet werden kann. Als Kooperativität wird die modifizierte Rate von chemischen Prozessen durch die Veränderung eines Nachbarmoleküls bezeichnet. Dieses Phänomen ist von großer Bedeutung in der Natur, wo es zum Beispiel eine Rolle bei der Proteinfaltung oder dem Sauerstofftransport im Blut spielt. Die Resultate zeigen einerseits durch direkte Abbildung, wie wichtig die atomare Umgebung jedes einzelnen Moleküls für chemische Prozesse ist, und dass sich andererseits die Funktion einzelner Moleküle auf extrem kleinem Raum beeinflussen und sogar mit einzelnen Atomen steuern lässt.

Literatur:

Online-Veröffentlichung in Nature Chemistry am 1. Dezember 2013,
Controlling intramolecular hydrogen transfer in a porphycene molecule with single atoms or molecules located nearby
Takashi Kumagai et al.

Nature Chemistry, doi: 10.1038/nchem.1804

Weitere Informationen erteilt Ihnen gern:

Prof. Dr. Leonhard Grill, Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft,

Tel.:  ++43 316 380 5412, E-Mail: lgr@fhi-berlin.mpg.de