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Nanotechnologie : Eine Taschenlampe aus wenigen Molekülen

  • -Aktualisiert am

Schematische Darstellung der Herstellung der molekularen Taschenlampe Bild: Nature

Kleine Strukturen werden immer häufiger nach dem Baukastenprinzip gebaut: Jetzt ist auch ein leuchtendes Molekül im Angebot, das unter einer angelegten Spannung von vier Volt zu leuchten beginnt.

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          Die Miniaturisierung in der Elektronik schreitet fortwährend voran. Die Strukturgrößen der Komponenten belaufen sich nur noch auf einige Dutzend Nanometer. Doch die sogenannte "top down"-Technologie stößt bald an ihre Grenzen: Eine weitere Verkleinerung ist nicht über einen bestimmten Grenzwert hinaus möglich. Eine Ausweg könnte die molekulare Elektronik bieten. Bei diesem "bottom up"-Ansatz werden komplexe Strukturen aus einzelnen Molekülen und Atomen aufgebaut. Jüngstes Beispiel für die Leistungsfähigkeit des Konzepts ist eine winzige Anordnung aus Molekülen, die zum Leuchten angeregt werden kann. Die molekulare Taschenlampe ist lediglich 7,5 Nanometer lang.

          Den Aufbau der winzigen Leuchte beschreiben die Forscher um Marcel Mayor und Ralph Krupke vom Karlsruhe Institute of Technology sowie der Universität Basel in der online-Ausgabe der Zeitschrift "Nature Nanotechnology" (doi: 10.1038/nnano.2010.230). Dem Bericht zufolge wurden auf einer Siliziumoxid-Oberfläche zunächst zwei Palladiumelektroden erzeugt. Dann wurde zwischen den beiden Elektroden ein Graben geätzt. Anschließend brachten die Wissenschaftler ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf, das die Elektroden über den Graben hinweg verbindet.

          Leuchtpunkt unterm Mikroskop

          Als sie einen starken Strom anlegten, wurde diese Brücke in der Mitte zerstört, und es entstand ein winziger Spalt mit Abmessungen von weniger als zehn Nanometern. In diese Lücke manövrierten die Forscher ihr Leuchtmolekül. Es bestand aus zwei kettenförmigen Baugruppen und einem Farbstoff-Molekül (Dibenzylaminonaphthalendiimid, NDI), das genau über der Lücke seinen Platz fand. Die Verknüpfung an die leitfähigen Nanoröhrchen stellten spezielle Ankergruppen am Ende der Ketten sicher. Als die Wissenschaftler an diese Anordnung eine Spannung von vier Volt anlegten, begann das Molekül zu leuchten.

          Der Leuchtpunkt in der Mitte der Anordnung ließ sich mit einem Mikroskop und einer CCD-Kamera beobachten. Da die Emission nur von einem einzigen Molekül ausging, war das Signal allerdings recht schwach. Als sie dessen Wellenlänge ermitteln wollten, mussten die Wissenschaftler die Blende der Kamera daher eine Stunde lang öffnen. Es zeigte sich, dass das ausgestrahlte Licht eine Wellenlänge von 680 Nanometern hatte.

          Für die Optoelektronik

          Bringt man reines NDI in Lösung und misst dessen Fluoreszenzspektrum, findet man ein Signal bei 635 Nanometern. Dieses befindet sich also bei etwas kürzerer Wellenlänge. Allerdings liegt NDI in der molekularen Taschenlampe nicht isoliert vor, sondern ist über die Kettenmoleküle mit den Nanoröhrchen verknüpft. Nach Ansicht der Forscher führt diese veränderte chemische Umgebung des NDI zur Verschiebung des Signals. In einem Kontrollexperiment wurde NDI auf einer Graphit-Oberfläche abgeschieden. Die Struktur von Graphit ähnelt derjenigen der Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Beide bestehen aus aneinandergefügten Kohlenstoff-Sechsecken. Bei dieser Anordnung maßen die Forscher ein Fluoreszenzsignal bei 680 Nanometern. Den spektroskopischen "Fingerabdruck" des Moleküls werten die Forscher als Nachweis für die molekulare Elektrolumineszenz.

          Nun wollen die Wissenschaftler aus Karlsruhe und Basel weitere Moleküle testen, die Licht mit anderen Wellenlängen ausstrahlen. Die leuchtende Anordnung ist für Anwendungen in der Optoelektronik von großem Interesse, die sich mit der Umwandlung von Daten in Lichtsignale und umgekehrt beschäftigt.

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