Neue Technologie um Bewegungen einzelner Atome und MolekŘle in Echtzeit nachzuverfolgen

(Nanowerk News) Forscher des Center for Nanointegration (CENIDE) der Universit├Ąt Duisburg-Essen (UDE) haben eine Technologie entwickelt, Bewegungen einzelner Atome und Molek├╝le in Echtzeit nachzuverfolgen. Diese Erkenntnis ver├Âffentlichten sie j├╝ngst in Nature Materials ("Imaging the dynamics of individually adsorbed molecules"). Wer ganz still ist, kann die Bewegung der Molek├╝le sogar h├Âren.
Das Ger├Ąusch, das aus dem Kopfh├Ârer von Johannes Schaffert kommt, klingt wie einst das Rauschen eines Fernsehers nach Sendeschluss. Tats├Ąchlich aber k├Ânnen Schaffert und seine Kollegen aus der Arbeitsgruppe des Experimentalphysikers Prof. Dr. Rolf M├Âller hieraus konkrete Informationen ├╝ber das Verhalten einzelner Molek├╝le ziehen. Daf├╝r nutzte das Team ein Rastertunnelmikroskop (RTM): Es funktioniert, indem eine winzige Nadel, deren Spitze aus nur wenigen Atomen besteht, Zeile f├╝r Zeile die Oberfl├Ąche einer Probe abtastet und dabei ÔÇô je nach deren Beschaffenheit ÔÇô verschieden grosse Tunnelstr├Âme misst. Diesen Wert nutzen Forscher, um den Abstand zwischen Nadel und Probe zu bestimmen und daraus ein Relief der Oberfl├Ąche zu erstellen.
Aufnahme eines Kupferphthalocyanin-Molek├╝ls
Das Rauschen eines einzelnen Molek├╝ls verr├Ąt etwas ├╝ber seine Dynamik: mittels Rastertunnelmikroskopie entstandene Aufnahme eines Kupferphthalocyanin-Molek├╝ls. Das Bild ist 2,3 Nanometer x 2,3 Nanometer gross.
Auf diese Weise haben die Forscher einzelne Molek├╝le des blauen Farbpigments Kupferphthalocyanin auf einer Kupferoberfl├Ąche analysiert. Dabei stellten sie fest, dass der Messwert an manchen Stellen des Molek├╝ls nicht konstant blieb, sondern hin- und hersprang. Diese Spr├╝nge kann man tats├Ąchlich als Rauschen im Mess-Signal h├Ârbar machen. Obwohl die Molek├╝le vermeintlich fest an der Oberfl├Ąche gebunden waren, musste doch irgendeine Bewegung stattfinden.
"In der Wissenschaft wird oft behauptet, im Rauschen l├Ąge keine Information", erl├Ąutert M├Âller. "Das ist so nicht richtig, sie ist hier nur subtiler enthalten."
Bisher mussten die Forscher, die sich hierf├╝r interessierten, noch manuell auswerten. Das Team um Schaffert hingegen entwickelte eine Elektronik, die parallel zur normalen Oberfl├Ąchenmessung ebenfalls s├Ąmtliche Parameter des Rauschens erfasst: Schaltrate, Schaltamplitude und Taktverh├Ąltnis.
"Das erfasst f├╝r uns in einem einzigen Messschritt neben der klassischen Oberfl├Ąchentopographie, wie schnell der Strom springt, wie gross die Spr├╝nge sind und wie lange der Strom auf dem jeweiligen Niveau bleibt", berichtet Schaffert. "Die Molek├╝le morsen uns die Informationen zu."
├ťbertragen auf die Vorg├Ąnge in der molekularen Ebene bedeutet das: Die Forscher k├Ânnen in Echtzeit nachvollziehen, wie sich das Molek├╝l bewegt. Gemeinsam mit Kollegen des Centre dÔÇÖInvestigaci├│ en Nanoci├Ęncia i Nanotecnologia in Barcelona und des Institut des Sciences Mol├ęculaires dÔÇÖOrsay in Paris berechneten sie, dass sich das Molek├╝l auf ihrer Probe bei jedem Sprung im Strom um sieben Grad um seine eigene Achse dreht.
Besonders f├╝r die noch in den Anf├Ąngen steckende Molekularelektronik sind die neue Messmethode sowie die Erkenntnisse, die sie verspricht, von ungeheurer Bedeutung: Diese Zukunftstechnologie nutzt einzelne bewegliche Atome oder Molek├╝le als winzige Schalter, um zum Beispiel einen elektrischen Kontakt herzustellen oder zu trennen. Da das vom Team um Schaffert entwickelte Verfahren problemlos auf andere Molek├╝le und Atome zu ├╝bertragen ist, l├Ąsst sich auch deren Bewegungen nun mit h├Âchster Aufl├Âsung nachvollziehen. So haben die CENIDE-Forscher der eigentlich langsamen RTM-Technologie eine zeitaufgel├Âste Variante hinzugef├╝gt, die mehrere Tausend Bewegungen pro Sekunde analysieren kann.
Auch anderen Arbeitsgruppen will M├Âller diese Technologie nun zug├Ąnglich machen: "Interessierte Forscher k├Ânnen uns einfach ansprechen. Wir geben gerne Starthilfe."
Source: Universit├Ąt Duisburg-Essen
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