Forschern ist es erstmals gelungen, den magnetischen Zustand eines einzelnen Moleküls bei Raumtemperatur gezielt zu steuern. Das jetzt in „Science“ vorgestellte Molekül gleicht dem Arm eines winzigen Schallplattenspielers und verändert seine Form je nach Wellenlänge des eingestrahlten Lichts. Das Schalter-Molekül könnte beim Bau winziger elektromagnetischer Speicher ebenso zum Einsatz kommen wie in der Medizin.
Schalter, die auf Magnetbasis funktionieren, sind wichtige Voraussetzungen für viele nanotechnologische und mikroelektronische Anwendungen. Doch die zustände der bisher realisierten magnetischen Schalter von Molekülgröße waren nur bei extrem tiefen Temperaturen stabil und damit für Alltagsanwendungen untauglich. Jetzt aber haben Wissenschaftler der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel um den Chemiker Professor Rainer Herges erstmals einen sochen Schalter entwickelt, der auch bei Raumtemperatur funktioniert.
Farbiges Licht verändert Molekülform
Die Forscher entwickelten eine molekulare Maschine, die ähnlich wie ein Plattenspieler aufgebaut ist. Das Molekül besteht aus einem Nickelion, das von einem Ring aus Farbstoff (Porphyrin) umgeben ist, und einem Stickstoffatom, das wie an einem Tonarm darüber schwebt. „Wenn wir dieses Molekül mit blaugrünem Licht bestrahlen, wird das Stickstoffatom wie eine Nadel exakt senkrecht auf dem Nickelion platziert“, erklärt Herges. „Dadurch wird das Nickelion magnetisch, weil die Paarung zweier Elektronen aufgehoben ist.“
Den entgegengesetzten Effekt hat blau-violettes Licht: Das Stickstoffatom wird wieder angehoben, die Elektronen finden sich zu einem Paar zusammen und das Nickelion ist dadurch nicht mehr magnetisch. „Dieses Schalten des Magnetzustandes können wir durch abwechselndes Bestrahlen mit den beiden unterschiedlich langen Lichtwellen mehr als 10.000-mal wiederholen, ohne dass die molekulare Maschine ermüdet oder Nebenreaktionen eintreten“, freut sich Herges.
Anwendung in Elektronik und Medizin
Der entdeckte Schalter mit einem Durchmesser von nur 1,2 Nanometern könnte als winziger magnetischer Speicher in der molekularen Elektronik verwendet werden. Vor allem die Hersteller von Festplatten dürften daran interessiert sein, denn durch Verkleinern der Magnetpartikel auf der Oberfläche der Platten lässt sich eine höhere Speicherkapazität erreichen.
Auch in der Medizin hält Professor Herges den Einsatz des magnetischen Schalters für denkbar: „Das Plattenspieler-Molekül kann intravenös als Kontrastmittel in der Kernspintomografie (MRT) verwendet werden, um nach Tumoren oder Engstellen in Blutgefäßen zu suchen. Erste Tests in der Neuroradiologie des Universitätsklinikums Schleswig-Holstein waren erfolgreich.“ Da durch das Schalten das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert wird, kommt man mit weniger Kontrastmittel aus als bei den bisher verwendeten magnetischen Salzen.
Zudem, so Herges, könnte die molekulare Maschine als Basis für die Entwicklung neuartiger Kontrastmittel dienen, etwa um die Temperatur, den pH-Wert oder sogar bestimmte biochemische Marker im Körper dreidimensional darzustellen. Rainer Herges zählt mögliche Anwendungsgebiete auf: „Mit solchen Kontrastmitteln könnte man Entzündungsherde lokalisieren, Tumore aufspüren und viele Stoffwechselvorgänge visualisieren.“ (Science,2011; DOI: 10.1126/science.1201180)
(Universität Kiel, 31.01.2011 – NPO)
