Håndtering af komplekse molekyler

Jülich-forskere har udviklet en ny kontrolteknik til scanning af probemikroskoper, der gør det muligt for brugeren at manipulere store enkeltmolekyler interaktivt ved hjælp af deres hænder. Indtil nu, kun simple og ufleksibelt programmerede bevægelser var mulige. For at teste deres metode, forskerne 'stencilerede' et ord til et molekylært monolag ved at fjerne 47 molekyler. Processen åbner op for nye muligheder for konstruktion af molekylære transistorer og andre nanokomponenter.

"Teknikken gør det muligt for første gang at fjerne store organiske molekyler fra tilknyttede strukturer og placere dem andre steder på en kontrolleret måde, " forklarer Dr. Ruslan Temirov fra Jülichs Peter Grünberg Institut. Dette bringer forskerne et skridt tættere på at finde en teknologi, der gør det muligt at samle enkelte molekyler frit til at danne komplekse strukturer. Forskergrupper rundt om i verden arbejder på et modulært system som dette til nanoteknologi, som anses for bydende nødvendigt for udviklingen af ​​roman, næste generations elektroniske komponenter.

Brug af bevægelsessporing, Temirovs unge efterforskergruppe koblede bevægelserne af en operatørs hånd direkte til scanningsprobemikroskopet. Spidsen af ​​dette mikroskop kan bruges til at løfte molekyler og gendeponere dem, meget som en kran. Med en forstørrelse på fem hundrede millioner til én, de relativt rå menneskelige bevægelser overføres til atomare dimensioner. "En håndbevægelse på fem centimeter får den skarpe spids af scanningsondemikroskopet til at bevæge sig kun én ångstrøm over prøven. Dette svarer til den typiske størrelse af atomare radier og bindingslængder i molekyler, " forklarer Ruslan Temirov.

Styring af systemet på denne måde, imidlertid, kræver noget øvelse. "De første par forsøg på at fjerne et molekyle tog 40 minutter. Mod slutningen havde vi kun brug for omkring 10 minutter, " siger Matthew Green. Det tog den ph.d.-studerende fire dage i alt at fjerne 47 molekyler og dermed stencilere ordet "JÜLICH" ind i et perylentetracarboxylsyredianhydrid (PTCDA) monolag. PTCDA er en organisk halvleder, der spiller en vigtig rolle i udviklingen af organisk elektronik - et felt, der gør det muligt at printe fleksible komponenter eller billige engangschips, for eksempel, hvilket er utænkeligt med konventionel siliciumteknologi.

Små stavefejl kan endda rettes uden problemer med den nye metode. Et molekyle, der blev fjernet ved en fejl, da han lavede den vandrette linje i "H", blev nemt erstattet af Green ved hjælp af et nyt molekyle, som han fjernede fra kanten af ​​laget. "Og netop dette er fordelen ved denne metode. Eksperimentatoren kan gribe ind i processen og finde en løsning, hvis et molekyle ved et uheld bliver fjernet, eller hvis det uventet hopper tilbage til sin oprindelige position, siger fysikeren.

Den interaktive tilgang gør det muligt at manipulere molekyler, der er en del af store associerede strukturer, på en kontrolleret måde. I modsætning til enkelte atomer og molekyler, hvis manipulation ved hjælp af scanningprobemikroskoper længe har været rutine, større molekylære samlinger var næsten umulige at manipulere på en målrettet måde indtil nu. Grunden til dette er, at molekylernes bindingskræfter, som er bundet til alle de omkringliggende nabomolekyler, er næsten umulige at forudsige præcist. Først under forsøget bliver det klart, hvilken kraft der kræves for at løfte et molekyle, og via hvilken vej det med succes kan fjernes.

De opnåede erfaringer vil være med til at fremskynde tidskrævende operationer. "I fremtiden, selvlærende computere vil overtage kompleks molekylemanipulation. Vi får nu den intuition for nanomekanik, som er så afgørende for dette projekt ved hjælp af vores nye kontrolsystem og bogstaveligt talt i hånden, " siger Dr. Christian Wagner, som også er en del af Jülich-gruppen.