De wetenschappers van Jülich hebben een nieuwe controletechniek ontwikkeld voor het scannen van probe-microscopen waarmee de gebruiker grote afzonderlijke moleculen interactief met hun handen kan manipuleren. Tot nu, alleen eenvoudige en inflexibel geprogrammeerde bewegingen waren mogelijk. Om hun methode te testen, de onderzoekers 'stencilden' een woord tot een moleculaire monolaag door 47 moleculen te verwijderen. Het proces opent nieuwe mogelijkheden voor de constructie van moleculaire transistoren en andere nanocomponenten.

"De techniek maakt het voor het eerst mogelijk om op een gecontroleerde manier grote organische moleculen uit geassocieerde structuren te verwijderen en elders te plaatsen. ", legt Dr. Ruslan Temirov van het Peter Grünberg Instituut in Jülich uit. Dit brengt de wetenschappers een stap dichter bij het vinden van een technologie waarmee afzonderlijke moleculen vrij kunnen worden geassembleerd om complexe structuren te vormen. Onderzoeksgroepen over de hele wereld werken aan een modulair systeem als dit voor nanotechnologie, die noodzakelijk wordt geacht voor de ontwikkeling van nieuwe, elektronische componenten van de volgende generatie.

Met behulp van bewegingsregistratie, De jonge onderzoeksgroep van Temirov koppelde de bewegingen van de hand van een operator rechtstreeks aan de scanningsondemicroscoop. De punt van deze microscoop kan worden gebruikt om moleculen op te tillen en opnieuw neer te zetten, net als een kraan. Met een vergroting van vijfhonderd miljoen tot één, de relatief ruwe menselijke bewegingen worden overgebracht naar atomaire dimensies. "Een handbeweging van vijf centimeter zorgt ervoor dat de scherpe punt van de scanning probe-microscoop slechts één angstrom over het monster beweegt. Dit komt overeen met de typische grootte van atoomstralen en bindingslengtes in moleculen, " legt Ruslan Temirov uit.

Door het systeem op deze manier aan te sturen, echter, vereist enige oefening. "De eerste paar pogingen om een ​​molecuul te verwijderen duurden 40 minuten. Tegen het einde hadden we slechts ongeveer 10 minuten nodig, ", zegt Matthew Green. Het kostte de promovendus in totaal vier dagen om 47 moleculen te verwijderen en zo het woord "JÜLICH" te stencilen tot een monolaag van peryleentetracarbonzuurdianhydride (PTCDA). PTCDA is een organische halfgeleider die een belangrijke rol speelt bij de ontwikkeling van organische elektronica - een vakgebied dat het mogelijk maakt om flexibele componenten of goedkope wegwerpchips te printen, bijvoorbeeld, wat met conventionele siliciumtechnologie ondenkbaar is.

Zelfs kleine spelfouten kunnen met de nieuwe methode probleemloos worden gecorrigeerd. Een per ongeluk verwijderd molecuul bij het maken van de horizontale lijn in "H" werd gemakkelijk vervangen door Groen met een nieuw molecuul dat hij van de rand van de laag verwijderde. "En precies dit is het voordeel van deze methode. De onderzoeker kan in het proces ingrijpen en een oplossing vinden als een molecuul per ongeluk wordt verwijderd of als het onverwacht terugspringt naar zijn oorspronkelijke positie, ' zegt de fysicus.

De interactieve benadering maakt het mogelijk om op een gecontroleerde manier moleculen te manipuleren die deel uitmaken van grote geassocieerde structuren. In tegenstelling tot enkele atomen en moleculen, waarvan de manipulatie met behulp van scanningsondemicroscopen al lang routine is, grotere moleculaire assemblages waren tot nu toe bijna onmogelijk om gericht te manipuleren. De reden hiervoor is dat de bindingskrachten van de moleculen, die zijn gebonden aan alle omringende naburige moleculen, zijn bijna niet precies te voorspellen. Pas tijdens het experiment wordt duidelijk welke kracht er nodig is om een ​​molecuul op te tillen en via welke weg het succesvol kan worden verwijderd.

De opgedane ervaring zal helpen om tijdrovende operaties te versnellen. "In de toekomst, zelflerende computers zullen de complexe manipulatie van moleculen overnemen. We krijgen nu de intuïtie voor nanomechanica die zo essentieel is voor dit project met behulp van ons nieuwe besturingssysteem en vrij letterlijk met de hand, " zegt Dr. Christian Wagner, die ook deel uitmaakt van de Jülich-groep.