News: Molekularer Angelhaken
Atomdicke Golddrähte herzustellen, kann so einfach sein: Lediglich ein geeignetes Molekül ist nötig, um die Atome wie an einer Perlenkette aufgereiht aus einer Goldoberfläche zu ziehen.
© (Ausschnitt)
Zum Teil betreiben Chemiker und Physiker erheblichen Aufwand, um Nanometer kleine Strukturen hervorzubringen. Dabei gilt häufig: je filigraner das Gebilde, desto schwieriger ist das Unterfangen. Einfache Verfahren, die zum Erfolg führen, sind deshalb besonders begehrt.
Zwar steht der experimentelle Beweis ihrer Methode noch aus, doch im "virtuellen Labor" konnten Daniel Krüger und seine Kollegen von der Universität Münster sowie der Ruhr-Universität-Bochum bereits Nanodrähte mit einem Durchmesser von nur einem einzigen Atom erzeugen. Die Physiker und Chemiker zeigten mit Hilfe von Computersimulationen, dass sich an einem "molekularen Haken" kurze monoatomare Golddrähte aus einer Metalloberfläche oder einem Cluster herausziehen lassen.
Die Forscher wählten Gold als Material, aus dem der Draht gezogen werden soll, wobei bei den Berechnungen Thiolatmoleküle, bestehend aus einem Schwefelatom an einer kurzen Kohlenwasserstoffkette (SCH2CH3) als Haken dienten. Diese Moleküle reagieren gut mit Gold und gehen eine besonders innige Bindungen ein, sodass sie sich auch großflächig als Film auf Goldoberflächen aufbringen lassen.
Krüger und sein Team senkten in ihren Simulationen jedoch die Spitze eines Rasterkraftmikroskops, versehen mit dem molekularen Haken, auf eine solche Oberfläche ab, worauf der Haken schnell eine Bindung mit dem Goldaggregat einging. Vergrößerten die Wissenschaftler anschließend die Entfernung zwischen Spitze und Oberfläche unter Kraftanwendung, so zog die Spitze einen monoatomaren Golddraht aus dem Goldaggregat heraus. Dabei bildeten sich als Zwischenprodukte kleine Goldkomplexe aus wenigen Atomen, die mit dem Ankermolekül zusammen von der Oberfläche weggezogen wurden. Während des Ziehens fand eine permanente Reorganisation metallischer Bindungen innerhalb des Goldclusters statt. Nach und nach wurden die Atome über eine Kaskade von Umwandlungen, die Chemiker Isomerisierungen nennen, zu einer Kette auseinander gezogen.
In ihren Berechnungen prüften die Forscher auch, ob ihre Methode auch bei kleinsten Goldclustern funktioniert. In ihnen sind die Bindungen zwischen den einzelnen Atomen wesentlich stärker als bei Oberflächen. Das überraschende Ergebnis: Das Ziehen von solchen Drähten aus Clustern funktioniert nicht nur, es wird auch fast dieselbe Kraft benötigt wie im Fall von Oberflächen. So bewegt sich der Kraftaufwand im Bereich weniger Nanonewton.
Interessanterweise lassen sich die Isomerisierungsschritte auf atomarer Ebene anhand der gemessenen Kraft als Funktion des Abstands detailliert verfolgen. In einem weiteren Schritt wäre nun denkbar, die kleinen Goldcluster ihrerseits auf nichtleitende Oberflächen aufzubringen und sie so "zu verdrahten", spekulieren die Forscher. Mit dem Einsatz mechanischer Kraft als Energiequelle für chemische Anwendungen verfolgen Krüger und Co schon jetzt eine neue Denkrichtung, denn bisher standen thermische, photochemische oder elektrische Energiequellen bei chemischen Reaktionen im Vordergrund. So schließt sich eine Lücke zwischen Chemie und Nanophysik.
Zwar steht der experimentelle Beweis ihrer Methode noch aus, doch im "virtuellen Labor" konnten Daniel Krüger und seine Kollegen von der Universität Münster sowie der Ruhr-Universität-Bochum bereits Nanodrähte mit einem Durchmesser von nur einem einzigen Atom erzeugen. Die Physiker und Chemiker zeigten mit Hilfe von Computersimulationen, dass sich an einem "molekularen Haken" kurze monoatomare Golddrähte aus einer Metalloberfläche oder einem Cluster herausziehen lassen.
Die Forscher wählten Gold als Material, aus dem der Draht gezogen werden soll, wobei bei den Berechnungen Thiolatmoleküle, bestehend aus einem Schwefelatom an einer kurzen Kohlenwasserstoffkette (SCH2CH3) als Haken dienten. Diese Moleküle reagieren gut mit Gold und gehen eine besonders innige Bindungen ein, sodass sie sich auch großflächig als Film auf Goldoberflächen aufbringen lassen.
Krüger und sein Team senkten in ihren Simulationen jedoch die Spitze eines Rasterkraftmikroskops, versehen mit dem molekularen Haken, auf eine solche Oberfläche ab, worauf der Haken schnell eine Bindung mit dem Goldaggregat einging. Vergrößerten die Wissenschaftler anschließend die Entfernung zwischen Spitze und Oberfläche unter Kraftanwendung, so zog die Spitze einen monoatomaren Golddraht aus dem Goldaggregat heraus. Dabei bildeten sich als Zwischenprodukte kleine Goldkomplexe aus wenigen Atomen, die mit dem Ankermolekül zusammen von der Oberfläche weggezogen wurden. Während des Ziehens fand eine permanente Reorganisation metallischer Bindungen innerhalb des Goldclusters statt. Nach und nach wurden die Atome über eine Kaskade von Umwandlungen, die Chemiker Isomerisierungen nennen, zu einer Kette auseinander gezogen.
In ihren Berechnungen prüften die Forscher auch, ob ihre Methode auch bei kleinsten Goldclustern funktioniert. In ihnen sind die Bindungen zwischen den einzelnen Atomen wesentlich stärker als bei Oberflächen. Das überraschende Ergebnis: Das Ziehen von solchen Drähten aus Clustern funktioniert nicht nur, es wird auch fast dieselbe Kraft benötigt wie im Fall von Oberflächen. So bewegt sich der Kraftaufwand im Bereich weniger Nanonewton.
Interessanterweise lassen sich die Isomerisierungsschritte auf atomarer Ebene anhand der gemessenen Kraft als Funktion des Abstands detailliert verfolgen. In einem weiteren Schritt wäre nun denkbar, die kleinen Goldcluster ihrerseits auf nichtleitende Oberflächen aufzubringen und sie so "zu verdrahten", spekulieren die Forscher. Mit dem Einsatz mechanischer Kraft als Energiequelle für chemische Anwendungen verfolgen Krüger und Co schon jetzt eine neue Denkrichtung, denn bisher standen thermische, photochemische oder elektrische Energiequellen bei chemischen Reaktionen im Vordergrund. So schließt sich eine Lücke zwischen Chemie und Nanophysik.
Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.