Miniaturisatie is lange tijd het toverwoord geweest in de elektronica. Dr. Willi Auwaerter en professor Johannes Barth, samen met hun team van natuurkundigen aan de Technische Universitaet Muenchen (TUM), hebben nu een nieuwe moleculaire schakelaar gepresenteerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie . Bepalend voor de functionaliteit van de schakelaar is de positie van een enkel proton in een porfyrinering met een binnendiameter van minder dan een halve nanometer. De natuurkundigen kunnen op verzoek vier verschillende toestanden instellen.

Porphyins zijn ringvormige moleculen die flexibel hun structuur kunnen veranderen, waardoor ze bruikbaar zijn voor een breed scala aan toepassingen. Tetrafenylporfyrine is geen uitzondering:het neemt graag een zadelvorm aan en is niet beperkt in zijn functionaliteit wanneer het aan een metalen oppervlak is verankerd. Het molecuul bevat een paar waterstofatomen die elk van positie kunnen veranderen tussen twee configuraties. Bij kamertemperatuur vindt dit proces continu in een zeer hoog tempo plaats.

In hun experiment hebben de wetenschappers onderdrukten deze spontane beweging door het monster te koelen. Hierdoor konden ze het hele proces in een enkel molecuul induceren en observeren met behulp van een scanning tunneling-microscoop. Dit soort microscoop is bijzonder geschikt voor de taak, omdat hij - in tegenstelling tot andere methoden - niet alleen kan worden gebruikt om de begin- en eindtoestand te bepalen, maar stelt de natuurkundigen ook in staat om de waterstofatomen direct te controleren. In een volgende stap verwijderden ze een van de twee protonen uit de binnenkant van de porfyrinering. Het resterende proton kan nu een van de vier posities innemen. Een kleine stroom die door de fijne punt van de microscoop stroomt, stimuleert de protonoverdracht, het instellen van een specifieke configuratie in het proces.

Hoewel de respectieve posities van de waterstofatomen noch de basisstructuur van het molecuul, noch de binding met het metalen oppervlak beïnvloeden, de staten zijn niet identiek. Dit kleine maar significante verschil, samen met het feit dat het proces willekeurig kan worden herhaald, vormt de basis van een schakelaar waarvan de status tot 500 keer per seconde kan worden gewijzigd. Een enkel getunneld elektron initieert de protonoverdracht.

De moleculaire schakelaar heeft een oppervlakte van slechts één vierkante nanometer, waardoor het de kleinste switch is die tot nu toe is geïmplementeerd. De natuurkundigen zijn enthousiast over hun demonstratie en zijn ook erg blij met nieuwe inzichten in het mechanisme achter de protonenoverdracht als gevolg van hun onderzoek. Knud Seufert speelde een sleutelrol met zijn experimenten:"Het bedienen van een vierstandenschakelaar door een enkel proton in een molecuul te verplaatsen, is echt fascinerend en vertegenwoordigt een echte stap voorwaarts in technologieën op nanoschaal."