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Nr. 93, 27.01.2018  voriger  Übersicht  weiter  REIHEN  SUCHE  Feedback 

Versteckter Nanostromschalter

Aus nur einem Molekül hat ein Kieler Forschungsteam jetzt einen Draht entwickelt, der mehr Einsatzmöglichkeiten als klassische Metalldrähte bieten könnte – zum Beispiel als Stromschalter.


Je näher die Spitze des Rastertunnelmikroskops (gelb) kommt, desto mehr biegt sich der Draht (dunkel­blau) zur Seite. Dabei ändert sich auch die Stärke des Stromflusses, wie ein Stromschalter auf Nanoebene. Grafik: JasperTönnies

Schnelle Handys mit viel Speicherplatz, hochleistungsfähige Chips oder extrem empfindliche Sensoren – unsere Elektronik wird immer kleiner. Damit das, was im Großen geht, auch im Kleinen reibungslos funktioniert, braucht es die passenden Bauteile. Zukünftig könnten elektrische Komponenten sogar nur noch aus wenigen oder sogar einzelnen Molekülen bestehen.

Um diese Bauteile auf Nanoebene zu einem Stromkreis zu verbinden, braucht es winzige Drähte. Wie bei größeren Schaltkreisen auch, müssen beide Drahtenden mit einer Metallelektrode verbunden werden. Doch die bislang existierenden Metallklammern sind zu groß, um elektrische Kontakte im Nanomaßstab herzustellen. »Einzelne Moleküle in einem elektrischen Schaltkreis zu kontaktieren, ist ein Problem, über das in der Forschung viel diskutiert wird«, erklärt Physiker Torben Jasper-Tönnies, der zurzeit seine Doktorarbeit in der Arbeitsgruppe von Professor Richard Berndt schreibt.

Für Schaltkreise auf Nanoebene hat ein Kieler Forschungsteam zusammen mit Kolleginnen und Kollegen aus dem spanischen San Sebastián einen winzigen Draht aus nur einem Molekül entwickelt. »Mit einer Länge von gerade einmal zwei Atombindungen und einer Breite von einem Atom ist das der denkbar einfachste molekulare Draht, viel dünner und kürzer geht es nicht«, erklärt Jasper-Tönnies. Der Draht ist mit etwa einem halben Nanometer Länge nicht nur winzig klein, sondern »einer der beiden nötigen Kontakte ist gewissermaßen schon eingebaut«, so Jasper-Tönnies weiter.

Das funktioniert, weil die Forschenden den Draht senkrecht auf eine leitende Metalloberfläche stellen können. Entscheidend sind hierfür molekulare Plattformen, mit denen im Kieler Sonder­forschungs­bereich 677 »Funktion durch Schalten« gearbeitet wird. Durch ihre gute Leitfähigkeit funktionieren sie als eine Art »Verbindungsstück«, in das sich eines der Drahtenden aufstecken und das Ganze wie ein Saugnapf auf einer Metalloberfläche anbringen lässt. Der erste Kontakt und der Anfang für einen Stromkreis ist damit gemacht.

Für den zweiten Kontakt nutzte das Forschungsteam ein Rastertunnelmikroskop (RTM). Mit einer Metallspitze »ertastet« es sich eine Probe und erstellt eine Abbildung ihrer Oberfläche bis auf die Skala von wenigen Nanometern. So werden auch einzelne Atome sichtbar. In ihren Experimenten verwendeten die Kieler Forschenden für das RTM eine besonders feine Metallspitze, an deren Ende nur ein einziges Atom sitzt. Damit konnten sie das zweite Drahtende elektrisch kontaktieren, den Stromkreis schließen und die Stromstärke messen.

Während ihrer Messungen stellten sie aber noch mehr fest: Zwischen der Metallspitze des RTM und dem Nanodraht wirken quantenmechanische Kräfte, mit deren Hilfe sich der Draht mechanisch verbiegen lässt. Wird der Draht nur leicht gebogen, reduziert sich die Stromstärke. Bei starkem Verbiegen steigt sie hingegen an. »Durch das Biegen des Drahts konnten wir also den Strom an- oder ausschalten. Uns hat überrascht, wie komplex sich unser Draht verhält, obwohl er so einfach aufgebaut ist«, so Jasper-Tönnies.

Die Ursache für die ungewöhnliche Doppelfunktion des Drahts als »Nanostromschalter« sieht das Forschungsteam in seiner molekularen Struktur. Aufgrund der quantenmechanischen Kräfte gehen einzelne Atome des Drahts neue chemische Bindungen mit dem Atom der RTM-Spitze ein. So verändern sich die Geometrie des Moleküls und damit seine Eigenschaften. »Tatsächlich können schon kleine geometrische Unterschiede einen sehr großen Effekt haben. Deshalb ist es wichtig, den Aufbau von Molekülen möglichst genau einstellen und messen zu können, wie hier über RTM-Bilder und eine präzise Kontaktierung«, so Jasper-Tönnies.

Julia Siekmann

www.sfb677.uni-kiel.de
Funktion durch Schalten
Im Sonderforschungsbereich 677 »Funktion durch Schalten« an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel arbeiten seit 2007 rund einhundert Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Chemie, Physik, Materialwissenschaften, Pharmazie und Medizin fächerübergreifend daran, schaltbare molekulare Maschinen zu entwickeln, die zum Beispiel durch Licht oder Temperatur gesteuert werden können. (jus(
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