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Dienstag, 28.03.2017
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Blutfarbstoff-Molekül als Magnetschalter

Magnetisierung des Porphyrin lässt sich gezielt an und abschalten

Ein Teil des roten Blutfarbstoffs Hämoglobin könnte in leicht veränderter Form zukünftig auch in technischen Geräten Verwendung finden. Denn Wissenschaftler haben jetzt entdeckt, dass wie sich die Magnetisierung von Porphyrin nach Ersetzen eines Eisen- durch ein Kobaltatom sehr einfach an- und ausschalten lässt. Diese jetzt in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlichte Erkenntnis könnte beispielsweise für nanoelektronische Anwendungen genutzt werden.
Verhalten eines Porphyrinmoleküls mit Kobaltatom auf einer magnetisierten Nickelschicht.

Verhalten eines Porphyrinmoleküls mit Kobaltatom auf einer magnetisierten Nickelschicht.

Hämoglobin bindet im menschlichen Körper den Sauerstoff und transportiert ihn im Blut dahin, wo er benötigt wird. Das Hämoglobinmolekül besteht aus vier Porphyrinmolekülen, die je ein Eisen-Atom enthalten, an das sich der Sauerstoff binden kann. Diese Porphyrinmoleküle entwickeln jedoch auch interessante magnetische Eigenschaften, wenn statt des Eisens Kobalt als Zentralatom eingebaut wird. Das Kobaltatom verhält sich dann wie ein winziger Magnet. Befestigt man das Molekül auf einer magnetisierten Oberfläche, passt sich sein magnetisches Moment an die Magnetisierungsrichtung der Oberfläche an – das Molekül funktioniert wie ein winziger magnetischer Schalter.

Magnetismus zum Ausschalten


Jetzt hat ein Forscherteam des Paul Scherrer Instituts entdeckt, dass sich diese magnetische Schaltfähigkeit chemisch ein- und ausschalten lässt. Durchgeführt wurden die Messungen mit Synchrotronlicht an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des Instituts. Dies ermöglicht es nicht nur, die Magnetisierung eines Materials zu messen, sondern auch zu bestimmen, von welchem chemischen Element sie stammt. So lässt sich unterscheiden, ob die beobachtete Magnetisierung vom Nickel oder vom Kobalt stammt.

In ihrem Versuch brachten die Forschenden die Porphyrinmoleküle auf einer magnetisierten Nickeloberfläche auf. Dabei beobachteten sie, dass sich die Ausrichtung der magnetischen Momente der Kobaltatome an die Magnetisierungsrichtung des Nickels anpasste. War die Schicht jedoch mit Stickstoffmonoxid behandelt, verschwand der Effekt – das Kobalt wurde unmagnetisch. Damit war nachgewiesen, dass sich die Magnetisierung gezielt an und abschalten lässt.


Nutzbar als zukünftiger Datenspeicher


„Bisher haben wir dabei ein großes Kollektiv an Molekülen betrachtet.“ erzählt Nirmalya Ballav, von dem die Idee für die Experimente stammt, „Aufgrund unserer Ergebnisse kann man sich aber vorstellen, dass man auch einzelne Prozesse an einzelnen Molekülen auslösen kann.“ Das ist interessant für zukünftige magnetische Datenspeicher: Um ein Bit zu speichern würde man dann die beiden Zustände „reagiert auf Magnetisierung“ und „reagiert auf Magnetisierung nicht“ eines einzelnen Moleküls oder einer kleinen Molekülgruppe nutzen. Durch Erwärmen kann so ein Speicher wieder gelöscht werden. Da ein einzelnes Molekül nur etwa einen Nanometer groß ist, könnte man so Daten wesentlich dichter speichern als es heutzutage möglich ist.

Weitere Anwendungen denkbar


Es sind aber auch Anwendungen in vielen anderen Bereichen denkbar – so könnte man mit den Porphyrinmolekülen eventuell die für Quantencomputer benötigten ungewöhnlichen quantenphysikalischen Zustände erzeugen. Sie könnten aber auch helfen, Vorgänge in Spintronik-Bauteilen zu verstehen, die eine immer größere Rolle in elektronischen Geräten wie etwa in Leseköpfen für Festplatten finden. Ein anderer Gedanke ist, Glas mit solchen Porphyrinmolekülen zu beschichten und zu nutzen, dass man diese Moleküle und damit auch ihre optischen Eigenschaften gezielt verändern kann. Dass solche Moleküle das Aussehen verändern können, je nachdem ob sie mit einer weiteren Substanz verbunden sind oder nicht, kennen wir auch aus dem Alltag: ist das Porphyrin in unserem Blut mit Sauerstoff verbunden, sind unsere Lippen rot – sonst sind sie blau.

„Um zu wissen, welche Anwendungen sich tatsächlich verwirklichen lassen, wird man noch etwa zehn Jahre warten müssen.“ dämpft der Thomas Jung, Leiter der Gruppe molekulare Nanowissenschaft am PSI und Titularprofessor an der Universität Basel, übertriebene Erwartungen und erklärt „Wir forschen im Hinblick auf zukünftige Technologien, aber ich weiss noch nicht, welche Technologie auf der Basis dieses neuen Effektes, dieser neuen Art Magnetismus zu steuern, entstehen wird.“
(Paul Scherrer Institut (PSI), 25.08.2010 - NPO)
 
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