För att producera små elektroniska minnen eller sensorer i framtiden, det är väsentligt att kunna arrangera enskilda metallatomer på ett isolerande skikt. Forskare vid Bielefeld-universitetets kemiska fakultet har nu visat att detta är möjligt vid rumstemperatur:molekyler av den metallhaltiga föreningen molybdenacetat bildar en ordnad struktur på isolatorkalciten utan att hoppa till andra positioner eller rotera. Deras resultat har presenterats i Naturkommunikation tidning. Arbetet gjordes i samarbete med forskare från universiteten i Kaiserslautern, Lincoln (Storbritannien) och Mainz.

"Tills nu, det har varit svårt att arrangera metallatomer på en isolatoryta. Det är lättare på en metallyta, men det är inte till stor nytta för användning i elektroniska komponenter, " säger professor Dr Angelika Kühnle, som leder arbetsgruppen Fysikalisk kemi I vid Kemiska fakulteten. "Det är det som är speciellt med vår studie:vi har hittat ett sätt att ordna metallatomer på isolatorer i en gitterliknande struktur." Isolatorer är material där elektroner inte kan röra sig fritt och är därför mycket dåliga ledare av elektricitet.

Svårigheten ligger i att robust förankra metallatomer även vid rumstemperatur - utan att de attraherar varandra, hoppa till andra positioner eller rotera. Tills nu, forskare har kunnat ordna små molekyler på isolatorer vid mycket låga temperaturer, men vid rumstemperatur var de för rörliga. Större molekyler löste problemet med rörlighet, men bildade snabbt kluster.

För sin forskning, Kühnle och hennes arbetsgrupp använde molybdenacetat, en förening som innehåller två atomer vardera av metallen molybden. Att denna förening visar intressanta strukturella egenskaper på en guldyta hade tidigare upptäckts av en forskargrupp från Kaiserslauterns tekniska universitet. "Om molybdenacetat nu appliceras på en kalcityta, molekylerna bildar en ordnad struktur. Detta betyder att molybdenatomerna också är ordnade i en ordnad array, " säger Dr Simon Aeschlimann, som forskat i Kühnles grupp och är huvudförfattare till den publicerade studien. "Med hjälp av olika experiment och simuleringar, vi kunde visa att molybdenacetatmolekylerna varken hoppar eller roterar, inte heller bildar de kluster. De är fast förankrade på kalcitytan."

Forskarna genomförde experimenten med hjälp av ett atomkraftmikroskop. "I atomkraftsmikroskopi, en liten nål skannar ytan av material – som en skivspelare, förutom att nålen inte vidrör ytan direkt, men avböjs av atomkrafter. Detta skapar sedan en bild av ytstrukturen, " säger Aeschlimann. Forskarna undersökte, till exempel, där molybdenacetatmolekylerna finns på kalcitytan och i vilken riktning de riktar sig.

Den ordnade strukturen skapas eftersom molybdenacetatmolekylerna ställer in sig exakt med laddningsfördelningen på kalcitytan. Kalcit består av kalcium- och karbonatbyggstenar som bildar en regelbunden gallerstruktur. "Varje molybdenacetatmolekyl passar bara på en mycket specifik plats på kalcitytan och interagerar samtidigt inte med dess närliggande molybdenacetatmolekyler. Det betyder att den är ordentligt förankrad, säger Kühnle.

Som vetenskapsman engagerad i ren forskning, Kühnle är intresserad av frågan om hur molekylära strukturer bildas på ytor eller gränsytor. Men resultaten är också relevanta för elektroniska ansökningar:om, till exempel, magnetiska metaller kan ordnas enligt samma princip, detta skulle kunna användas inom nanoteknik för att producera datalagring – dvs. minnen som bara är några miljondelar av en millimeter stora. Andra möjliga användningsområden inkluderar optiska eller kemiska sensorer.