Physik: „Telegraph“ sendet und empfängt bestimmte Moleküle

Die Methode kann wesentlich zum Verständnis der Molekulardynamik bei chemischen Prozessen beitragen. Dies wäre wichtig für die genaue Kontrolle chemischer Reaktionen oder für die Katalyse, beispielsweise für eine Forschungsgruppe unter der Leitung des Experimentalphysikers aus Graz. Leonhard Grill berichtet in einer Studie der Universität Graz. Sie ist gerade jetzt in der Zeitschrift „Science“ veröffentlicht.

Wie auf Schienen

Das wissenschaftliche Interesse von Grill liegt in der Untersuchung und gezielten Manipulation einzelner Moleküle auf Oberflächen mit Rastersondenmikroskopie, um ein grundlegendes Verständnis physikalischer und chemischer Prozesse zu erlangen. 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.

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 überhaupt durchführen können, müssen sie den Versuchsaufbau nahe dem absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius abkühlen: Außerdem wird die thermische Bewegung der Moleküle allein zu stark stören, erklärt Grill APA.

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.

0,1 Millimeter pro Sekunde

Dies wurde über relativ große Entfernungen von 150 Nanometern erreicht. „Normalerweise funktioniert es über eine Entfernung von weniger als einem Nanometer“, erklärte 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.

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

Darüber hinaus konnten die Forscher ein Sender-Empfänger-Experiment durchführen, bei dem ein einzelnes Molekül spezifisch zwischen zwei Orten übertragen wurde, beispielsweise ein Badmintonspiel: Zu diesem Zweck wurden zwei separate Mikroskoppunkte für den Scan-Tunnel getrennt voneinander und positioniert dann bewegt sich die „Senderspitze“ von attraktiv zu abstoßend. Der Modus ist eingeschaltet. 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.