Under de senaste decennierna har forskare har kunnat producera strukturer från enstaka atomer. Ett av de första exemplen presenterades av D. M. Eigler och E. K. Schweizer 1990 Natur , en liten IBM -logotyp bildad av bara några xenonatomer som tillverkats med ett skanningsmikroskop. Men även idag, nästan 30 år senare, vi är fortfarande långt ifrån att tillverka nanostrukturer direkt från komplexa molekyler. Även om molekyler är mycket större än atomer, de är mycket svårare att kontrollera. "Med atomer, orienteringen är inte viktig. Men molekyler har en specifik form. Till exempel, orienteringen i vilken de fäster vid en yta eller på mikroskopets spets är viktig, "säger professor Stefan Tautz, institutchef vid Forschungszentrum Jülich.

I peer-reviewed journal Natur , gruppen som leds av doktor Ruslan Temirov vid Tautz's institut presenterar nu ett nytt genombrottsexperiment där de framgångsrikt orienterade en trombocytformad PTCDA-molekyl, som är strukturellt relaterad till grafen, som önskat. Att göra så, forskarna använde spetsen av ett skanningssondmikroskop för att fästa två silveratomer på molekylens kanter, som de sedan lyfte upp tills den stod upprätt på den lilla silverplattformen.

"Tills nu, man antog att molekylen skulle återgå till sin gynnade position och ligga platt på ytan. Men så är inte fallet. Molekylen är förvånansvärt stabil i upprätt riktning. Även när vi trycker på den med mikroskopets spets, den faller inte omkull; det svänger helt enkelt tillbaka igen. Vi kan bara spekulera i orsaken till detta, "säger Dr Taner Esat, första författaren till studien.

Arbetet är ett viktigt steg i utvecklingen av nya produktionstekniker med enstaka molekyler. Under historiens gång, människor har lärt sig att styra världen på allt mindre skalor. Det yttersta målet är att kunna tillverka godtyckliga molekylarkitekturer. Detta skulle innebära montering av nanostrukturer direkt från enstaka molekyler, lite som Lego. Applikationspotentialen skulle vara obegränsad. Nanoelektronik, särskilt, skulle dra nytta av de helt nya möjligheterna att förverkliga grundläggande funktioner, som logik, minne, sensor, och förstärkarkretsar.

"I den makroskopiska världen, produktionsprocesser är mycket sofistikerade. På en mindre nivå, vi är inte riktigt lika avancerade än. Naturen ligger långt före oss där, "förklarar Stefan Tautz. I levande celler, molekyler bildas efter självmonteringsmekanismen, enligt deras molekylära egenskaper. Forskare vid Jülichs Peter Grünberg Institute (PGI-3) siktar på att gå längre än detta naturliga paradigm. Med sin forskning, de hoppas kunna föregå en tillverkningsteknik som inte är begränsad till några förutbestämda strukturer, men kommer att möjliggöra det i princip fria skapandet av strukturer på nanoskala.

"Ta bilar, datorer, och hus, till exempel. Eftersom naturen inte skapar dem spontant, alla dessa saker måste monteras av oss - antingen manuellt eller med hjälp av maskiner. Och det är precis vad vi har gjort på nivån av enskilda molekyler i detta experiment:med våra händer, vi producerade en konstgjord metastabil struktur som dessutom erbjuder en viss önskad funktionalitet, säger Stefan Tautz.

Forskarna använde redan framgångsrikt stand-up-molekylen som en elektronkälla som avger enstaka elektroner. Elektronens vågfunktion för denna typ av elektronkälla är förutbestämd av molekylens kemiska egenskaper. Sådana elektronkällor kan användas, till exempel, för applikationer inom holografi, som använder de utsända elektronernas vågkaraktär för avbildning. Tack vare sådana här experiment forskare räknar nu med ett produktivt samspel mellan tillverkning av ovanliga strukturer och nya funktioner.

Handkontroll och sonder för mikroskop

Det aktuella forskningsresultatet föregicks av flera vetenskapliga framsteg. Under de senaste åren, t.ex., Jülich -forskare lyckades selektivt plocka enstaka molekyler från aggregat och lager. Gruppen som leds av doktor Ruslan Temirov arbetar också med att förbättra kontrast och upplösning av mikroskop med hjälp av enstaka atomer och molekyler som sonder. För det här syftet, enskilda molekyler eller atomer är fästa som en sensor på mikroskopets spets. Dessa förbättrar sedan dramatiskt upplösningen med vilken strukturer och till och med elektriska fält kan avbildas.