Gezielter Protonentransfer in einem Molekül: Der kleinste mögliche Schalter

15.12.2011: Miniaturisierung ist seit langem das Zauberwort in der Elektronik. Ins Extreme getrieben hat sie jetzt ein Physikerteam um Dr. Willi Auwärter und Professor Johannes Barth von der Technischen Universität München (TUM), die in der Publikation „Nature Nanotechnology“ einen neuartigen molekularen Schalter vorstellen. Entscheidend für die Funktionsweise des Schalters ist die Position eines einzelnen Protons in einem Porphyrinring mit einem Innendurchmesser von weniger als einem halben Nanometer. Vier unterschiedliche Zustände können die Wissenschaftler hier gezielt einstellen.

Porphyrine sind ringförmige Moleküle, die sehr flexibel ihre Struktur ändern können und sich deshalb für vielfältige Anwendungen eignen. Das Tetraphenylporphyrin ist keine Ausnahme: Es nimmt gerne eine Sattelform an und wird bei der Verankerung auf metallischen Oberflächen nicht in seiner Funktionalität eingeschränkt. Im Inneren des Moleküls befindet sich ein Paar von Wasserstoffatomen, die ihre Position zwischen zwei Konfigurationen wechseln können. Dieser Prozess findet bei Raumtemperatur unentwegt und rasend schnell statt.

Für ihr Experiment unterdrückten die Wissenschaftler diese spontane Bewegung, indem sie die Probe kühlten. So konnten sie den gesamten Vorgang im Einzelmolekül mit einem Rastertunnelmikroskop induzieren und beobachten. Das Mikroskop ist dafür besonders geeignet, weil es – im Gegensatz zu anderen Methoden – nicht nur Anfangs- und Endzustand festhalten kann; sondern es erlaubt den Physikern, die Wasserstoffatome direkt anzusteuern. In einem weiteren Schritt entfernten sie nun gezielt eines der beiden Protonen im Inneren des Porphyrinrings. Das Verbleibende kann daraufhin vier unterschiedliche Schalterpositionen besetzen. Ein winziger Strom, der durch die feine Spitze des Mikroskops fließt, stimuliert den Protonentransfer und stellt so eine bestimmte Konfiguration ein.

Die jeweiligen Positionen des Wasserstoffatoms beeinträchtigen zwar weder die grundsätzliche Struktur des Moleküls noch die Bindung an die metallische Oberfläche, dennoch sind die Zustände nicht völlig identisch. Dieser kleine, aber feine Unterschied und die Tatsache, dass der Vorgang beliebig wiederholbar ist, definieren einen Schalter, der sich mit bis zu etwa 500 Einstellungen pro Sekunde steuern lässt. Ausgelöst wird der Protonentransfer dabei von einem einzigen Tunnelelektron.

Das Schaltermolekül hat eine Fläche von einem Quadratnanometer und ist damit die kleinste bislang realisierte atomistische Schalteinheit. Die Physiker sind mit der Demonstration hochzufrieden, und freuen sich außerdem über die Einblicke in den Mechanismus der Protonenübertragung, die sie mit ihren Studien gewinnen konnten. Knud Seufert hat hierbei maßgebliche Experimente durchgeführt: "Einen vierfachen Schalter zu betätigen, indem man ein einzelnes Proton innerhalb eines Moleküls bewegt, ist wirklich faszinierend, und ein echter Schritt hin zu Technologien auf der Nanoskala."

Die Forschungsarbeit wurde unterstützt aus Mitteln des European Research Councils (ERC Advanced Grant MolArt, No. 247299), des Exzellenzclusters Munich-Centre for Advanced Photonics (MAP) und des Institute for Advanced Study der TU München.

Originalveröffentlichung:
Willi Auwärter et al.; A surface-anchored molecular four-level conductance switch based on single proton transfer; Nature Nanotechnology, Advance Online Publication, 11 December 2011