Wissenschaftlern ist es gelungen, aus spezifisch hergestellten molekularen Bausteinen größere ansprechbare Funktionseinheiten zu entwickeln. Dazu passten sie in die offenen Poren eines Perylen-Netzwerkes Porphyrinmoleküle ein, die wie kleine Zahnrädchen aussehen. Die derart „gefangenen“ Moleküle verhalten sich völlig anders als im Festkörper, in der Lösung oder in der Gasphase.
Mittels einer Rastertunnelmikroskop-Spitze, die direkt über einem Molekül festgehalten wird, können die Forscher um Professor Lutz H. Gade, Meike Stöhr und Thomas A. Jung von der Universität Heidelberg, der Universität Basel und dem Paul Scherrer Institut sogar molekulare Bewegungen als Stromschwankungen registrieren.
Die Moleküle bewegen sich zwischen unterscheidbaren Positionen, und die Drehung der Wirtmoleküle wird mit zunehmender Temperatur beschleunigt. Außerdem kann diese Bewegung abgebremst werden, indem die Rastertunnelmikroskop-Spitze in das drehende Molekül ‚hineintastet‘.
Einzigartig ist nach Angaben der Wissenschaftler die hohe Stabilität des Netzwerkes, das durch eine chemische Reaktion auf der Oberfläche erzeugt wird. Das Bauprinzip der Selbstorganisation erlaubt es, Millionen solcher Drehschalter in der Größenordnung von je einem Nanometer auf einer Oberfläche anzuordnen und mit dem Rastertunnelmikroskop einzeln abzutasten, zu verlangsamen oder anzuregen.
„Bienenwaben“ mit charakteristischen Eigenschaften
Die Architektur der gefundenen Netzwerke kann, so die Forscher, flexibel variiert werden: in Nanometer-große, stabile Waben können verschiedene Moleküle eingefügt werden, welche sich dort charakteristisch verhalten. Genau wie Bienenwaben je nach Füllung verschiedene Funktionen übernehmen, lassen sich so ganz neue und je nach eingefügtem Molekül neue und charakteristische Eigenschaften erzeugen. Auf diese Weise können die Wissenschaftler möglicherweise neue Datenspeicher produzieren, aber auch neue optische, chemische oder auch logische Schaltelemente auf Oberflächen erzeugen.
Die Bedeutung der vorliegenden Arbeit liegt darin, dass Strukturen der supramolekularen Chemie zu adressierbaren und funktionellen Einheiten an Oberflächen weiterentwickelt werden können. Dies ist ein bedeutender Schritt, der künstlich hergestellte nanoskalige Strukturen näher an die sich selbstorganisierenden Systeme der Biologie bringt. Insbesondere sind die hier gezeigten Strukturen ohne Wasser oder andere Lösungsmittel stabil, und daher eher für technologische Anwendungen geeignet.
(idw – Universität Heidelberg, 20.03.2007 – DLO)
