In de afgelopen decennia, onderzoekers zijn in staat geweest om structuren te produceren van enkele atomen. Een van de eerste voorbeelden werd in 1990 gepresenteerd door D. M. Eigler en E. K. Schweizer Natuur , een klein IBM-logo gevormd uit slechts een paar xenon-atomen geproduceerd met een scanning probe-microscoop. Maar ook vandaag, bijna 30 jaar later, we zijn nog ver verwijderd van het rechtstreeks fabriceren van nanostructuren uit complexe moleculen. Hoewel moleculen veel groter zijn dan atomen, ze zijn veel moeilijker te controleren. "Met atomen, de oriëntatie is niet belangrijk. Maar moleculen hebben een specifieke vorm. Bijvoorbeeld, de oriëntatie waarin ze hechten aan een oppervlak of aan de punt van de microscoop is belangrijk, " zegt prof. Stefan Tautz, hoofd van het instituut bij Forschungszentrum Jülich.

In het peer-reviewed tijdschrift Natuur , de groep onder leiding van Dr. Ruslan Temirov van het instituut van Tautz presenteert nu een nieuw doorbraakexperiment waarin ze met succes een bloedplaatjesvormig PTCDA-molecuul oriënteerden, die structureel verwant is aan grafeen, zoals gewenst. Om dit te doen, de onderzoekers gebruikten de punt van een scanning probe-microscoop om twee zilveratomen aan de randen van het molecuul te bevestigen, die ze vervolgens optilden tot hij rechtop stond op het kleine zilveren platform.

"Tot nu, er werd aangenomen dat het molecuul zou terugkeren naar zijn favoriete positie en plat op het oppervlak zou liggen. Maar dat is niet het geval. Het molecuul is verrassend stabiel in de rechtopstaande oriëntatie. Zelfs als we het met de punt van de microscoop duwen, het valt niet om; het zwaait gewoon weer omhoog. Over de reden hiervan kunnen we alleen maar speculeren, " zegt dr. Taner Esat, eerste auteur van de studie.

Het werk is een belangrijke stap in de ontwikkeling van nieuwe productietechnieken met enkelvoudige moleculen. In de loop van de geschiedenis, mensen hebben geleerd hoe ze de wereld op steeds kleinere schaal kunnen beheersen. Het uiteindelijke doel is om willekeurige moleculaire architecturen te kunnen fabriceren. Dit zou inhouden dat nanostructuren rechtstreeks uit afzonderlijke moleculen worden samengesteld, een beetje zoals Lego. Het toepassingspotentieel zou onbeperkt zijn. Nano-elektronica, vooral, zou profiteren van de volledig nieuwe mogelijkheden om basisfunctionaliteiten te realiseren, zoals logica, geheugen, sensor, en versterkerschakelingen.

"In de macroscopische wereld, productieprocessen zijn zeer geavanceerd. Op een kleiner niveau, we zijn nog niet zo ver. De natuur is ons daar ver vooruit, " legt Stefan Tautz uit. In levende cellen, moleculen vormen zich volgens het zelfassemblagemechanisme, volgens hun moleculaire eigenschappen. Onderzoekers van het Peter Grünberg Instituut (PGI-3) van Jülich willen verder gaan dan dit natuurlijke paradigma. Met hun onderzoek ze hopen een fabricagetechnologie te pionieren die niet beperkt is tot een paar vooraf bepaalde structuren, maar zal de in wezen vrije creatie van structuren op nanoschaal mogelijk maken.

"Neem auto's, computers, en huizen, bijvoorbeeld. Omdat de natuur ze niet spontaan creëert, al deze dingen moeten door ons worden geassembleerd - handmatig of machinaal. En dat is precies wat we hebben gedaan op het niveau van enkele moleculen in dit experiment:met onze handen, we produceerden een kunstmatige metastabiele structuur die bovendien een bepaalde gewenste functionaliteit biedt, ", zegt Stefan Tautz.

De onderzoekers gebruikten het staande molecuul al met succes als elektronenbron die enkele elektronen uitstraalt. De golffunctie van het elektron van dit soort elektronenbron wordt vooraf bepaald door de chemische eigenschappen van het molecuul. Dergelijke elektronenbronnen kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld, voor toepassingen in holografie, die het golfkarakter van de uitgezonden elektronen gebruiken voor beeldvorming. Dankzij experimenten als deze, onderzoekers anticiperen nu op een productief samenspel tussen de fabricage van ongebruikelijke structuren en nieuwe functionaliteiten.

Handbediening en sondes voor microscopen

Aan het huidige onderzoeksresultaat gingen verschillende wetenschappelijke vorderingen vooraf. De afgelopen jaren, bijv. Jülich-onderzoekers slaagden erin om selectief afzonderlijke moleculen uit aggregaten en lagen te plukken. De groep onder leiding van Dr. Ruslan Temirov werkt ook aan het verbeteren van het contrast en de resolutie van microscopen met behulp van afzonderlijke atomen en moleculen als sondes. Voor dit doeleinde, individuele moleculen of atomen zijn als sensor aan de punt van de microscoop bevestigd. Deze verbeteren vervolgens drastisch de resolutie waarmee structuren en zelfs elektrische velden kunnen worden afgebeeld.