2016 Juli

Die Kraft zur Schaltung eines einzelnen Moleküls

Monday, 11th July 2016Ausgewählte Publikationen
(Oben) Einzelnes Porphycen-Molekül, dargestellt bei 5 K mit einem Raster-Sonden-Mikroskop. Der weiße Stern links zeigt die Position, an der die Annäherung der Spitze das Schalten auslösen kann. (Unten) Chemische Struktur von Porphycen. Das Molekül pendelt zwischen zwei Zuständen, ausgelöst durch den intramolekularen Transfer eines Wasserstoffatoms (Pfeile).

Oben: Einzelnes Porphycen-Molekül, gemessen bei 5 K mit einem Rastertunnelmikroskop. Der weiße Stern links zeigt die Position, an der die Annäherung der Spitze das Schalten auslöst.
Unten: Chemische Struktur von Porphycen. Das Molekül schaltet durch den intramolekularen Transfer von Wasserstoffatomen zwischen zwei Zuständen (dargestellt durch die gekrümmten Pfeile).

Schalter befinden sich überall in unserem modernen Leben und jeder weiß, wie viel Kraft benötigt wird, um mit einem Lichtschalter das Raumlicht anzuschalten – die Kraft eines Fingers genügt. Doch wie viel Kraft ist erforderlich, wenn man die Größe des Schalters drastisch reduziert und in der „Nano-Welt“ einen einzelnen „molekularen Schalter“ betätigt? Diese fundamentale Frage ist nicht nur für die Grundlagenwissenschaft relevant, sondern auch für zukünftige Anwendungsmöglichkeiten in der molekularen Elektronik. Wissenschaftlern am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft (Berlin) ist es in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus Polen (Warschau), Spanien (San Sebastian) und Großbritannien (Liverpool) gelungen, mit einem hochmodernen Rastersondenmikroskop die Kräfte zu messen, die benötigt werden, um einen einzelnen „molekularen Schalter“ zu schalten. Sie ermittelten, dass nur eine extrem kleine Kraft von Bruchteilen von Nano-Newton (10-9 Newton) benötigt wird, um ein einzelnes Molekül zu schalten.

Sie fanden heraus, dass ein intramolekularer Wasserstoffatomtransfer, eine sogenannte Tautomerisierung, in einem Porphycen-Molekül – ein rund 1 nm (10-9 m) großes organisches Molekül – auf einer Kupferoberfläche durch die Annäherung einer nur ein  Atom messenden Spitze ausgelöst werden kann. Die Tautomerisierung schaltet ein organisches Molekül zwischen zwei (oder mehr) Zuständen und ist ein vielversprechendes System für eine Anwendung in zukünftigen molekularen elektronischen Bauteilen. Die Experimente konnten nicht nur die notwendige Kraft zum Schalten ermitteln, sondern zeigten außerdem, dass das Schalten des Moleküls an einer bestimmten Position im Molekül ausgelöst wird. Das Experiment erreicht hierbei eine räumliche Auflösung von 0,02 nm und ist damit genauer als die Länge einer typischen chemischen Bindung (0,1 nm). Zudem wurde die Bedeutung der chemischen Reaktivität der Spitze demonstriert, da das Molekül nicht geschaltet werden kann, wenn ein einzelnes Xenonatom – ein reaktionsträges Edelgas – die Spitze bildet, selbst wenn eine ausreichende Kraft ausgeübt wird. Der Mechanismus des Schaltens lässt sich daher nicht mit einer rein mechanischen Kraftwirkung erklären.

Oben: Künstlerische Darstellung des Experiments. Unten: Gemessene Kraft während der Annäherung und Entfernung der Spitze.

Oben: Künstlerische Darstellung des Experiments.
Unten: Gemessene Kraft während der Annäherung und Entfernung der Spitze.

Mit einem Supercomputer berechneten die Wissenschaftler detaillierte Simulationen des Experimentes, um den Mechanismus des Schaltens aufzuklären. Ihre Simulationen konnten die Tautomerisierung durch Krafteinwirkung korrekt wiedergeben und lieferten ein detailliertes Verständnis der Arbeitsweise des einzelnen molekularen Schalters auf der atomaren Ebene. Dabei wird das Schalten nicht durch eine rein mechanische Kraftwirkung ausgelöst sondern entspricht der Aktivierung bei einer katalytischen Reaktion. Die Wissenschaftler hoben hervor, dass diese Forschungsergebnisse daher zu einem tieferen mikroskopischen Einblick in katalytische Reaktionen beitragen und zu einer neuen Methode zur Kontrolle der Chemie auf der atomaren Ebene führen können.

Kontakt

Dr. Takashi Kumagai
Arbeitsgruppenleiter
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft
Abteilung Physikalische Chemie
Email: kuma@fhi-berlin.mpg.de
Web: http://www.fhi-berlin.mpg.de/pc/kumagai/
Tel.: +49 (0)30 8413 5110

Originalveröffentlichung

Force-induced tautomerization in a single molecule
Ladenthin et al. Nature Chemistry (http://dx.doi.org/10.1038/nchem.2552)

Hier können Sie die Japanische Version lesen.