Einzelne Moleküle schalten

  • 02. December 2013

Protonenverteilung eines einzelnen Moleküls lässt sich mit nur einem Atom kontrollieren.

Die atomare Umgebung jedes einzelnen Moleküls hat großen Einfluss auf chemische Prozesse. 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.

Porphycen-Molekül und Kupferatom auf einer Kupferoberfläche

Abb.: Porphycen-Molekül und Kupferatom auf einer Kupferoberfläche. Das Kupferatom steuert den Protonentransfer im Porphycen-Molekül. (Bild: L. Grill, FHI)

Um genau zu wissen, wie der Prozess innerhalb eines einzelnen Moleküls auf einer Kupferoberfläche abläuft, verwendeten die Forscher ein Rastertunnelmikroskop, mit dessen nur ein Atom dicker Spitze sich einzelne Moleküle beobachten lassen. Durch einen Spannungspuls injizierten sie Elektronen in ein Molekül, wodurch sich die Erscheinung des Moleküls veränderte. Die Wissenschaftler schlossen daraus, dass sie einzelne Protonen innerhalb des Moleküls transferiert hatten – ein Vorgang, der in der Natur von großer Bedeutung ist, aber auch von Interesse für Schaltprozesse in einzelnen Molekülen der Nanotechnologie. Dabei war die exakte Positionierung der Elektroneninjektion von großer Bedeutung: Sie musste mit einer Präzision von etwa 1 Angström platziert werden.

Um dies kontrollieren zu können, entnahmen sie der Oberfläche ein einzelnes Kupferatom und verschoben es mit der Spitze des Rastertunnelmikroskops. 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 exakten 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 exakte 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.

FHI / DE

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