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Astronomie+Physik

Kunststück mit Stehauf-Molekül

Aufrecht stehendes PTCDA-Molekül auf dem Silberpodest (links) - normalerweise lagert sich das Molekül flach an die Silberschicht an. (Foto: Forschungszentrum Jülich/ T. Esat)

Nanostrukturen aus komplexen Molekülen zu bauen, ist für Wissenschaftler noch immer eine Herausforderung. Denn sie lassen sich im Vergleich zu einzelnen Atomen schwieriger kontrollieren. Nun ist es einem Forscherteam gelungen, ein normalerweise flachliegendes Molekül zum Stehen zu bringen – mithilfe eines Rastersondenmikroskops und Silberatomen als „Podest“. Die Arbeit stellt damit einen wichtigen Schritt hin zur Herstellung beliebiger molekularer Architekturen dar – und könnte künftig eine Vielzahl neuer Anwendungen möglich machen, wie die Autoren berichten.

Schon seit einiger Zeit ist es möglich, in der Welt des Allerkleinsten komplexe Strukturen zu erzeugen: indem man einzelne Atome bewegt. Eines der ersten Beispiele dafür präsentierten in den 1990er Jahren Schweizer Wissenschaftler. Sie hoben mithilfe eines Rastertunnelmikroskops 35 Xenonatome wie mit einer Pinzette an und setzten diese so zusammen, dass sie das Logo des Unternehmens IBM im Miniformat bildeten. Seitdem haben Physiker mit dieser Technik schon viele weitere solcher Nanostrukturen gebaut – allerdings immer nur aus einzelnen Atomen. Vergleichbare Strukturen aus komplexen Molekülen zu gestalten, scheint dagegen bedeutend schwieriger zu sein. Der Grund: „Bei Atomen spielt die Ausrichtung keine Rolle. Aber Moleküle haben eine bestimmte räumliche Struktur. Es kommt zum Beispiel darauf an, in welcher Lage sie auf einer Oberfläche oder an der Mikroskopspitze haften“, erklärt Stefan Tautz vom Forschungszentrum Jülich.

Ihm und seinen Kollegen um Erstautor Taner Esat ist nun jedoch ein bedeutender Fortschritt in diesem Bereich gelungen: Sie haben es erstmals geschafft, ein plättchenförmiges Kohlenwasserstoff-Molekül, kurz als PTCDA bezeichnet, nach ihren Wünschen auszurichten. Dieses aromatische Molekül gleicht in seinem Aufbau dem Material Graphen, es ist ebenfalls aus einer Schicht miteinander verbundener Kohlenstoffringe aufgebaut. Das Ziel der Forscher war es nun, das flache Gebilde in eine aufrechte Position zu bewegen und es sozusagen zum Stehen zu bringen. Dafür hefteten sie mit der Spitze eines Rastersondenmikroskops zwei Silberatome an die Ecken des PTCDA-Moleküls. Auf diesem winzigen „Silberpodest“ brachten sie es anschließend zum Stehen. Überraschenderweise war das Plättchen in dieser aufrechten Orientierung relativ stabil. „Bis jetzt dachte man, dass das Molekül von selbst wieder in seine Lieblingsposition zurückfällt und sich flach an die untere Schicht anlagert. Aber das ist nicht der Fall“, berichtet Esat. „Selbst wenn man es mit der Mikroskopspitze anschubst, fällt es nicht um, sondern schwingt einfach wieder zurück. Über den Grund können wir bisher nur spekulieren.“

Nanostrukturen nach dem Legoprinzip

Wie das Wissenschaftlerteam demonstrierte, lässt sich das aufgerichtete Molekül sinnvoll nutzen: als Elektronenquelle, die einzelne Elektronen aussendet. Bei einer solchen Einzel-Elektronenquelle ist die Wellenfunktion der Elektronen durch die chemischen Eigenschaften des Moleküls genau vorgegeben. Derartige Quellen könnten beispielsweise für Anwendungen in der Holografie zum Einsatz kommen, die den Wellencharakter der ausgestrahlten Teilchen für räumliche Darstellungen und Aufnahmen nutzen. „Wir haben mit unserem Experiment in Handarbeit auf molekularer Ebene einen künstlichen metastabilen Zustand hergestellt, der noch dazu über eine bestimmte Funktionalität verfügt“, sagt Tautz.

Damit stellt die Arbeit nach Ansicht des Forschers einen wichtigen Schritt hin zu innovativen Produktionstechniken im Nanomaßstab dar. „In der makroskopischen Welt sind die industriellen Produktionsprozesse schon sehr ausgereift. Im Kleinen klappt das noch nicht so gut“, konstatiert er. Gelänge es in Zukunft aber, auch andere Moleküle zu manipulieren und diese nach dem Legoprinzip zu winzigen Strukturen zusammenzusetzen, entstünden dadurch völlig neue Anwendungsmöglichkeiten. Insbesondere im Bereich der Nanoelektronik ließen sich dann etwa neuartige Logik-, Speicher-, Sensor- und Verstärkerschaltungen realisieren. Um künftig komplexe molekulare Architekturen zu gestalten, reicht es allerdings nicht, Moleküle nur auf wenige vorbestimmte Arten anordnen zu können. Das Forscherteam um Tautz sucht daher nach einer Technologie, die mehr möglich macht. Ihr Ziel: Strukturen sollen sich auf der Nanoskala völlig frei gestalten und erschaffen lassen – nur so sind beliebige Konstruktionen möglich.

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Quelle: Taner Esat (Forschungszentrum Jülich) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-018-0223-y

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