Grazer Forscher spielen „molekularer Federball“ – steiermark.ORF.at

Das wissenschaftliche Interesse des Grazer Experimentalphysikers Leonhard Grill liegt in der Untersuchung und gezielten Manipulation einzelner Moleküle auf Oberflächen mit Rastersondenmikroskopie, um ein grundlegendes Verständnis physikalischer und chemischer Prozesse zu erhalten. Insbesondere werden Moleküle mit einer bestimmten mechanischen, chemischen, elektronischen, elektrischen oder optischen Funktion verwendet. Beispielsweise können molekulare Bewegungen, chemische Reaktionen oder molekulare Schalter untersucht oder molekulare Netzwerke und Drähte spezifisch erzeugt werden.

Ein wirklich kalter Versuch

Für ihre jüngste Studie brachten die Grazer Wissenschaftler, die mit Grill arbeiteten, zunächst etwa zwei Nanometer lange organische Moleküle mit der feinen Metallspitze eines Rastertunnelmikroskops in einer speziellen Ausrichtung auf eine silberne Oberfläche. Damit Grill und sein Team die Experimente auf irgendeine Weise durchführen können, müssen sie den Versuchsaufbau nahe dem absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius abkühlen. Darüber hinaus wird die thermische Bewegung der Moleküle allein zu stark stören, erklärt Grill.

Sobald ein elektrisches Feld an der Stelle des Moleküls eingeschaltet ist, können sich einzelne Moleküle perfekt entlang einer geraden Linie bewegen, als ob sie durch elektrostatische Kräfte auf Spuren wären. Infolgedessen können diese Teilchen in Abhängigkeit von der Richtung des elektrischen Feldes durch den Abstoßungseffekt angegriffen oder durch die Anziehungskraft aus großer Entfernung empfangen werden.

Dies wurde über relativ große Entfernungen von 150 Nanometern erreicht. „Normalerweise funktioniert es über eine Entfernung von weniger als einem Nanometer“, erklärt Grill. „Wir konnten zeigen, dass sich die Moleküle trotz der sehr flachen Oberfläche entlang einer einzelnen Reihe von Atomen bewegen, dh nur in eine Richtung“, beschrieb der Forscher. Dies ermöglichte eine Genauigkeit von 0,01 Nanometern.

0,1 mm pro Sekunde unterwegs

„Während dieses Prozesses konnten wir auch die Zeit messen, dh die Geschwindigkeit eines einzelnen Moleküls direkt bestimmen“, fügt Grill hinzu – sie betrug etwa 0,1 mm pro Sekunde. Dies eröffnet aus Sicht des Grazer Forschers „völlig neue Möglichkeiten für die Untersuchung molekularer Energien bei chemischen Reaktionen“.

Wenn Moleküle Badminton spielen

Darüber hinaus konnten die Forscher ein Sender-Empfänger-Experiment durchführen, bei dem ein einzelnes Molekül wie in einem Badmintonspiel spezifisch zwischen zwei Stellen übertragen wurde: Zu diesem Zweck wurden zwei separate Rastertunnelmikroskoppunkte getrennt voneinander positioniert und dann Die „Senderspitze“ wechselte von attraktiv zu abstoßend. . Infolgedessen bewegte sich das Molekül genau zum Ort des „Empfängerpunkts“ und übertrug gleichzeitig die Informationen im Partikel (wie Elementzusammensetzung oder atomare Anordnung) mit hoher räumlicher Präzision.