Ein neuer Typ von molekularen Schaltern

IBM-Wissenschaftler haben einen neuartigen molekularen Schalter entwickelt, der sich ein- und ausschalten lässt, ohne seine Form zu verändern. Obwohl ein solcher Schalter noch Jahre von der Verwendung in funktionierenden Geräten entfernt ist, schlagen die Wissenschaftler vor, dass er einen möglichen Weg aufzeigt, solche molekularen Schalter miteinander zu verbinden, um molekulare Logikgatter für zukünftige Computer zu bilden.



Molekularer Schalter: Die Spitze eines Rastertunnelmikroskops (in Silber dargestellt) tastet einen kreuzförmigen molekularen Schalter ab, um ein benachbartes Molekül ein- und auszuschalten. Durch das Induzieren von Spannungen bewirkt die Sonde, dass zwei Wasserstoffatome innerhalb des Naphthalocyanin-Moleküls von einer Orientierung in eine andere kippen.

Forscher haben in den letzten zehn Jahren daran gearbeitet, einzelne Moleküle als elektronische Schalter zu verwenden, in der Hoffnung, dass sie schließlich dazu beitragen, elektronische Geräte noch kleiner und leistungsfähiger zu machen. (Siehe Molecular Computing .) Bisher waren solche Bemühungen jedoch mit molekularen Prozessen verbunden, die die geometrische Form des Moleküls in irgendeiner Weise verformen, sagt Peter Liljeroth , ein Forscher bei IBM Forschungslabor Zürich , in der Schweiz.

Das Problem besteht darin, dass eine Änderung der Molekülform es schwierig macht, sie als Schalter miteinander zu verbinden. Wenn ein Forscher etwas komplizierter machen will als nur einen molekularen Schalter, etwa ein Logikgatter, muss er diese miteinander koppeln können, sagt Liljeroth. Einen einzigen molekularen Schalter zu haben, wird für nichts wirklich nützlich sein.

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Liljeroth und seine Kollegen nutzen atomare Veränderungen, die im Zentrum eines molekularen Käfigs stattfinden, der die Gesamtstruktur des Moleküls nicht verändert. In der neuesten Ausgabe der Zeitschrift Wissenschaft , zeigt die Gruppe, wie sich ihr Molekül elektrisch an- und ausschalten lässt. Die Forscher zeigen auch, wie drei dieser Moleküle nebeneinander platziert werden können. Das Injizieren eines Stroms in ein Molekül ändert den Zustand eines anderen, sagt Liljeroth.

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  • Sehen Sie sich den molekularen Schalter von IBM in Aktion an.

Der Bericht stellt ein herausragendes und bemerkenswertes Stück Grundlagenforschung dar, sagt Fraser Stoddart , Direktor des California Nanosystems Institute an der University of California, Los Angeles, der sich auch mit molekularem Schalten beschäftigt.

Das IBM-Molekül ist ein Naphthalocyanin, eine Klasse von Verbindungen, die aufgrund ihrer intensiven bläulich-violetten Farbe in Farben und in der organischen optischen Elektronik verwendet werden. Die Struktur des IBM-Moleküls bildet eine Kreuzform, die zwei gegenüberliegende Wasserstoffatome auf beiden Seiten eines zentralen quadratischen Hohlraums enthält.

Als die Forscher das Molekül auf ein ultradünnes Substrat legten, fanden sich diese gegenüberliegenden Wasserstoffatome von den Seiten dieses Quadranten nach oben und unten oder umgekehrt, wenn eine ausreichende Spannung angelegt wurde. Unabhängig davon, in welchem ​​dieser beiden Zustände es sich befindet, bleibt die Geometrie des Moleküls jedoch konstant.

Wenn eine niedrigere Spannung angelegt wird, ist es möglich, den Zustand des Schalters abzulesen, indem man den durch ihn fließenden Strom misst. Eine niedrige Spannung schaltet es nicht, sodass wir den Zustand des Moleküls ablesen können, sagt Liljeroth.

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Es ist eine schöne Wissenschaft, sagt Mark Reed , ein Physiker an der Yale University in New Haven, CT, der sich mit molekularen Geräten beschäftigt. Die Tatsache, dass sie diese reversible Änderung der Struktur haben, ist sehr schön.

IBMs Entdeckung erfolgte durch Zufall. Was wir eigentlich untersuchten, war die molekulare Schwingung, die durch das Hinzufügen von Elektronen zum Molekül entsteht, sagt Liljeroth. Dabei bemerkten die Forscher jedoch dieses Umdrehen von Wasserstoffatomen, eine molekulare Reaktion, die als Tautomerisierung bekannt ist.

Um das Molekül zu schalten, nutzte die Gruppe ein Rastertunnelmikroskop (RTM), das bei extrem niedrigen Temperaturen und im Vakuum arbeitet. Die Reaktion wird jedoch elektrisch angetrieben, wenn auch mit Pikoampere, sodass das STM für diese Reaktion nicht erforderlich ist, sagt Liljeroth. Die niedrige Temperatur könnte jedoch ein Haupthindernis für die Praxistauglichkeit des Verfahrens sein.

Für dieses spezielle Molekül musste die Temperatur nur bei fünf Grad Kelvin gehalten werden, damit die Reaktion kontrolliert ablaufen konnte. Die Reaktion läuft noch bei Raumtemperatur ab, sagt Liljeroth. Aber bei Zimmertemperatur würde es spontan passieren. Dennoch, sagt er, besteht das Potenzial, neue Moleküle zu finden, die dieses Verhalten bei höheren Temperaturen zeigen, in der Hoffnung, schließlich logische Geräte zu bauen.

Der Nachweis, dass ein molekularer Schalter durch Anlegen eines Stroms an ein benachbartes Molekül ein- und ausgeschaltet werden kann, ist ein erster Schritt zu einer solchen Logik. Die Möglichkeit, eine Spannung an ein Molekül anzulegen und ein benachbartes Molekül zu tautomerisieren, hat interessante Auswirkungen auf logische Geräte, sagt Stoddart. Aber die Temperaturbeschränkung bleibt eine große Herausforderung, sagt er.

Stoddart lehnt auch die Ablehnung von molekularen Schaltern, die ihre Form ändern, durch die IBM-Gruppe ab; er argumentiert, dass solche Moleküle in einem viel weiter fortgeschrittenen Stadium sind und bei Raumtemperatur funktionieren können. Ich finde es ärgerlich, dass Wissenschaftler auf dem Gebiet der molekularen Elektronik weiterhin die Forschung anderer zu Unrecht ablehnen, die technologisch viel fortgeschrittener ist als ihre eigene, die aber auch eine sehr solide theoretische und experimentelle Grundlage hat.

Auch Reed von Yale steht den praktischen Implikationen der IBM-Erkenntnisse skeptisch gegenüber. Jedes Gerede, diese Reaktion in ein Gerät zu verwandeln, laufe in diesem Stadium einer übermäßigen Übertreibung gleich, sagt er. Es ist, als würde man sagen, wir hätten Siliziumhalbleiter entdeckt, also können wir einen Pentium herstellen.

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