Jülich-forskare har utvecklat en ny kontrollteknik för att skanna probmikroskop som gör det möjligt för användaren att manipulera stora enstaka molekyler interaktivt med sina händer. Tills nu, endast enkla och oflexibelt programmerade rörelser var möjliga. För att testa deras metod, forskarna "stencilerade" ett ord till ett molekylärt monolager genom att ta bort 47 molekyler. Processen öppnar för nya möjligheter för konstruktion av molekylära transistorer och andra nanokomponenter.

"Tekniken gör det möjligt för första gången att avlägsna stora organiska molekyler från associerade strukturer och placera dem någon annanstans på ett kontrollerat sätt, " förklarar Dr. Ruslan Temirov från Jülichs Peter Grünberg-institut. Detta för forskarna ett steg närmare att hitta en teknologi som gör det möjligt för enskilda molekyler att fritt sammansättas för att bilda komplexa strukturer. Forskargrupper runt om i världen arbetar med ett modulärt system som detta för nanoteknik, som anses vara absolut nödvändigt för utvecklingen av en roman, nästa generations elektroniska komponenter.

Med hjälp av rörelsespårning, Temirovs unga forskargrupp kopplade rörelserna av en operatörs hand direkt till scanningsprobens mikroskop. Spetsen på detta mikroskop kan användas för att lyfta molekyler och återsätta dem, ungefär som en kran. Med en förstoring av femhundra miljoner till en, de relativt grova mänskliga rörelserna överförs till atomära dimensioner. "En handrörelse på fem centimeter gör att den skarpa spetsen på skanningsprobens mikroskop flyttar bara en ångström över provet. Detta motsvarar den typiska storleken på atomradier och bindningslängder i molekyler, " förklarar Ruslan Temirov.

Att styra systemet på detta sätt, dock, kräver lite övning. "De första försöken att ta bort en molekyl tog 40 minuter. Mot slutet behövde vi bara cirka 10 minuter, " säger Matthew Green. Det tog doktoranden totalt fyra dagar att ta bort 47 molekyler och därmed stencilera ordet "JÜLICH" till ett perylentetrakarboxylsyradianhydrid (PTCDA) monolager. PTCDA är en organisk halvledare som spelar en viktig roll i utvecklingen av organisk elektronik - ett område som gör det möjligt att skriva ut flexibla komponenter eller billiga engångschips, till exempel, vilket är otänkbart med konventionell kiselteknik.

Små stavfel kan till och med rättas till utan svårighet med den nya metoden. En molekyl som togs bort av misstag när den horisontella linjen i "H" skapades ersattes lätt av Green med hjälp av en ny molekyl som han tog bort från kanten av lagret. "Och just detta är fördelen med den här metoden. Försöksledaren kan ingripa i processen och hitta en lösning om en molekyl av misstag tas bort eller om den oväntat hoppar tillbaka till sin ursprungliga position, säger fysikern.

Det interaktiva tillvägagångssättet gör det möjligt att manipulera molekyler som ingår i stora associerade strukturer på ett kontrollerat sätt. I motsats till enskilda atomer och molekyler, vars manipulation med hjälp av skanningssondmikroskop har länge varit rutin, större molekylära sammansättningar var nästan omöjliga att manipulera på ett riktat sätt förrän nu. Anledningen till detta är att molekylernas bindningskrafter, som är bundna till alla omgivande närliggande molekyler, är nästan omöjliga att förutsäga exakt. Först under experimentet blir det klart vilken kraft som krävs för att lyfta en molekyl och via vilken väg den framgångsrikt kan avlägsnas.

Erfarenheterna kommer att bidra till att påskynda tidskrävande operationer. "I framtiden, självlärande datorer kommer att ta över komplex molekylmanipulation. Vi får nu den intuition för nanomekanik som är så väsentlig för detta projekt med hjälp av vårt nya kontrollsystem och bokstavligen för hand, " säger Dr Christian Wagner, som också ingår i Jülich-gruppen.