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Donnerstag, 14.12.2017
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Schalter aus nur einem Molekül

Erster Test für kleinsten elektrischen Schalter

Wissenschaftler haben den bisher wohl kleinsten elektrischen Schalter jetzt in einer Simulation getestet. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ berichten, nutzten sie dafür ein Isomer, ein Molekül, dass in zwei räumlichen Strukturen vorliegen kann.
Schematische Darstellung eines Azobenzolmoleküls gebunden an zwei metallischen Elektroden (Kohlenstoffnanoröhren)

Schematische Darstellung eines Azobenzolmoleküls gebunden an zwei metallischen Elektroden (Kohlenstoffnanoröhren)

"Immer kleiner, immer effizienter" lautet die Devise, wenn es um die Entwicklung von Computern und anderen elektronischen Geräten geht. Längst bewegen sich die Bauteile in unvorstellbar kleinen Dimensionen; ein Silizium basierter Transistor beispielsweise hat heute eine Seitenlänge von 90 Nanometern. Und die Entwicklung geht weiter: Größenordnungen von einem Nanometer - das sind ein Milliardstel Millimeter - sollen die Bauteile der Zukunft haben. Sie wären damit so klein wie Moleküle.

Doch können Moleküle als elektronische Bauelemente fungieren? Sie können, sagen jene Wissenschaftler, die an der Grenze von Quantenphysik und Elektronik auf dem jungen Gebiet der "Molekularen Elektronik" führend sind. Unter ihnen auch die von der Volkswagen-Stiftung mit 960.000 Euro geförderte Regensburger Nachwuchsgruppe um Dr. Gianaurelio Cuniberti und Wissenschaftler der Universität Madrid: Sie simulierten jüngst einen Schaltkreis, in dem ein einzelnes organisches Molekül als elektrischer Schalter agierte. Die Ergebnisse der Versuche sind in der aktuellen März-Ausgabe der Zeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht.

Isomere als Schalterkandidaten


Azobenzol heißt das Molekül, mit dem die Forscher einen der bisher wohl kleinsten elektrischen Schalter simulierten. Das Azobenzol gehört zu der Klasse von Molekülen, die in verschiedenen räumlichen Strukturen vorliegen. Solche auch als Isomere bezeichneten Zustände eines Moleküls können qualitativ unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Sie reagieren beispielsweise ganz verschieden auf ein elektrisches Feld. Diesen Umstand will man sich in der molekularen Elektronik zunutze machen. Um die elektrischen Transporteigenschaften des Azobenzol-Moleküls und seiner Isomere zu untersuchen, wählten die Regensburger Physiker komplexe Computersimulationstechniken.


Molekülstruktur beeinflusst Leitungseigenschaften


Im Modell wurde das Molekül chemisch gebunden an zwei metallischen Nanoröhrchen - bestehend aus Kohlenstoffatomen -, die als Nanoelektroden wirken. Wurde nun eine elektrische Spannung angelegt, konnten Ladungen durch das Molekül fließen. In der Simulation zeigte sich, dass beide Isomere völlig verschiedene elektrische Leitungseigenschaften aufweisen. Eine Änderung der räumlichen Molekülstruktur - induziert zum Beispiel durch Laserlicht unterschiedlicher Wellenlänge - könnte demnach den Fluss des elektrischen Stroms dramatisch verändern und somit eine Schaltfunktion auf der molekularen Skala realisieren.

Ein wichtiges Ergebnis: Die Schaltfähigkeit wird besonders beeinflusst von den chemischen Gruppen, die das Molekül an die Elektroden binden. Cuniberti und sein Team planen weiterführende Untersuchungen, um die Effizienz und die Stabilität dieses molekularen Schalters zu testen. Ihre Ergebnisse werden wichtige Informationen zur Entwicklung modernster Elektronik liefern. Bei aller Zuversicht wissen die Forscher aber auch: "Auf den molekularen Computer wird man noch eine Weile warten müssen."
(VolkswagenStiftung, 07.03.2007 - NPO)
 
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