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News: Molekularer Rotor

Elektronische Geräte werden immer kleiner. Eines Tages könnten einzelne Moleküle aktive Elemente von Schaltkreisen oder gar sich bewegende Teile in winzigen Maschinen werden. Jetzt haben Forscher demonstriert, wie das eines Tages aussehen könnte: Sie haben ein einzelnes Sauerstoffmolekül isoliert und es auf Befehl rotieren lassen.
Kurze Spannungsimpulse brachten das Molekül zum Rotieren zwischen drei Orientierungspunkten, die im Winkel von 120 Grad zueinander standen – etwa so wie ein Radioknopf, der in drei unterschiedlichen Stellungen einrasten kann. Wird die Spannung nicht heruntergeregelt, rotiert das Molekül weiter und dreht sich wie ein winziger Motor.

Doch das Experiment demonstriert nicht nur ein Konzept, das später in äußerst kleinen elektronischen Geräten angewendet werden könnte. Es lieferte auch Informationen über die Natur der Bindung, die gebildet wird, wenn ein Sauerstoffmolekül an eine Platinoberfläche adsorbiert wird, und darüber, wie Elektronen die Bewegung eines Moleküls verursachen können. Platin wird häufig als Katalysator verwandt, um Oxidationsreaktionen zu beschleunigen, zum Beispiel bei der Abgasnachbehandlung in Autos.

Barry C. Stipe, Mohammad Rezaei und Wilson Ho von der Cornell University berichteten am 18. März 1998 auf dem Jahrestreffen der American Physical Society in Los Angeles von ihrem Experiment. Die Ergebnisse wurden auch in Science vom 20. März 1998 veröffentlicht.

Unter Verwendung eines "hausgemachten" Raster-Tunnelmikroskops (scanning tunneling microscope, STM) von außergewöhnlicher Präzision schickten die Forscher einen winzigen elektrischen Strom durch ein Sauerstoffmolekül, das an eine ebene Platinoberfläche gebunden war. Das System wurde auf eine Temperatur von 8 Kelvin abgekühlt, um zufällige Molekülbewegungen zu verhindern.

Das Herz des STM ist eine scharfe, nadelförmige Spitze, die weniger als ein Milliardstel Meter über der abzutastenden Oberfläche gehalten wird. Wird Spannung angelegt, fließt zwischen Oberfläche und Nadel ein sehr kleiner elektrischer Strom. Während die Nadel bewegt wird, um die Oberfläche abzutasten, wird ihre Höhe so angeglichen, daß der Stromfluß konstant bleibt. Ein Computer kann dann die Aufwärts- und Abwärtsbewegungen verarbeiten, um von der Oberfläche ein dermaßen genaues Bild zu konstruieren, daß einzelne Atome und Moleküle als Höcker oder Vertiefungen erscheinen. Bei den neuen Experimenten nutzten die Forscher die Spitze auch, um kurze Spannungspulse anzulegen, so daß einzelne Moleküle rotierten.

Ein Sauerstoffmolekül besteht aus zwei Sauerstoffatomen. Ist es auf eine Platinauflage adsorbiert, liegt es nahezu flach auf der Oberfläche, wobei ein Atom geringfügig höher liegt als das andere. Die Achse zwischen den beiden Atomen ist daher etwas von der Oberfläche weggeneigt. In dieser Lage befinden sich die Elektronen häufiger am oberen Ende des Moleküls, und das STM-Bild zeigt ein birnenförmiges Molekül.

Die Forscher positionierten die Spitze des STM direkt oberhalb der Achse zwischen den beiden Atomen des Sauerstoffmoleküls und legten einen etwa 40 Millisekunden dauernden Spannungsimpuls von 0,15 Volt an. Nach rund 20 Millisekunden stellten sie eine leichte Veränderung im "Tunnelstrom" – der normalerweise zwischen der Spitze und der Oberfläche fließt – fest. Diese Veränderung zeigte an, daß das Molekül eine Rotation vorgenommen hatte. Die STM-Bilder bestätigten dies: Sie verrieten, daß das Molekül nach jeder Veränderung des Stromes zu einem neuen Orientierungspunkt rotierte. Hos Worten zufolge fügen bei angelegter Spannung die Elektronen, die sich von der Spitze zum Molekül bewegen, dem Molekül Energie zu. Dadurch wandern die Atomkerne zu einem der drei möglichen stabilen Orientierungspunkte.

Das STM in Hos Labor kann so präzise kontrolliert werden, daß der Strom von der Mikroskopspitze nicht nur einem einzelnen Molekül, sondern sogar einem bestimmten Punkt auf diesem Molekül zugeführt werden kann. Vertikal kann der Strom auf 0,01 Ångström und horizontal auf 0,1 Ångström genau positioniert werden, erläutert Ho. Ein Ångström ist der zehnmilliardste Teil eines Meters, was etwa einem halben Atomdurchmesser entspricht.

Während eines Spannungspulses fließt bei jeder der drei stabilen Stellungen des Moleküls ein anderer Strom. "Der Computer kann so instruiert werden, daß er den Spannungspuls bei einem bestimmten Wert des Tunnelstroms beendet, so daß das Molekül an jedem gewünschten Ort bleibt", sagten die Forscher. Demnach könnte man ein Molekül in einer bestimmten Position fixieren, um Informationen zu speichern.

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