Molekulare Schalter

Ein Schalter ist ein elektrisches oder elektronisches Gerät. Mikroprozessoren und Speicherchips enthalten viele Millionen Transistoren, die dort als Schalter wirken.

Kann man statt Transistoren auch Moleküle als Schalter benutzen ? Wenn das ginge, könnte man Prozessoren und Speicher viel kleiner bauen als heute.

Das Molekül 4,4'–Di(ethinylphenyl)–2'–nitro–1–benzothiolat wird daraufhin untersucht, ob es als Schalter arbeiten kann.

Ansehen : Starten Sie die Jmol–Visualisierung durch Anklicken des Moleküls. Schalten Sie es mit dem Knopf „Umschaltung leitend / nichtleitend” vom leitenden in den nicht leitenden Zustand und zurück.

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Wie funktioniert der Schalter ?

2 Zustände : Ein elektrischer Schalter (z. B. ein Lichtschalter) kann 2 Zustände bewirken : Es fließt Strom, oder es fließt kein Strom. Auch ein Transistor kann 2 Zustände einnehmen : leitend und nicht leitend.
Genauso kann unser Molekül 2 Zustände einnehmen : elektrisch leitend und nicht elektrisch leitend.

Wie geht das ? Wie realisiert das Molekül den leitenden und den nicht leitenden Zustand ?

Der leitende Zustand : Normalerweise ist das Molekül eben. Sie sehen das gut, wenn Sie die Jmol–Visualisierung aufrufen und das Molekül dort so drehen, dass Sie es von der Seite oder von oben sehen. Durch die vielen aromatischen Bindungen und die Dreifachbindungen bildet sich ein konjugiertes System aus. In diesem sind Elektronen im gesamten Molekül – von der Spitze bis zum Goldkristall, an dem es gebunden ist – frei beweglich : Es leitet den elektrischen Strom. Der Strom kann an der Spitze des Moleküls von einem anderen Leiter abgenommen werden.

Der nicht leitende Zustand : An den C–C–Einfachbindungen liegt freie Drehbarkeit vor. Dreht sich ein Teil des Moleküls (z. B. die oberen beiden Benzolringe) um eine solche C–C–Achse, ist das Molekül nicht mehr eben. Sie sehen das in der Jmol–Visualisierung gut, wenn Sie den Knopf „Umschaltung leitend / nichtleitend” drücken und dann das Molekül wieder von der Seite betrachten. Das konjugierte System ist zerstört, Elektronen können sich nicht mehr durch das ganze Molekül bewegen : Das Molekül leitet den Strom nicht mehr.

Wie schaltet der Schalter ?

Der mechanische Schalter schaltet, indem durch Drücken eines Knopfes eine leitende Verbindung zwischen 2 Drähten hergestellt oder getrennt wird. Der Transistor schaltet durch einen Stromstoß. Und wie schaltet der Molekülschalter ?

Ausschalten : Das Molekül geht durch kurzzeitiges Anlegen einer Spannung von etwas über 3 V vom leitenden in den nicht leitenden Zustand über – der Schalter ist ausgeschaltet.

Einschalten : Der Einschaltvorgang ist noch nicht vollständig erforscht. Sicher wird man auch hier kurzzeitig Spannungen anlegen, möglicherweise von deutlich mehr als 3 V.

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Wie untersucht man das ?

Bei unserem molekularen Schalter muss das Verhalten einzelner Moleküle untersucht werden, nicht wie sonst in der Chemie ganze Bechergläser voll oder wenigstens ein paar Milligramm Substanz.

Einzelne Moleküle kann man mit der Rastertunnelmikroskopie sichtbar machen. Sie ist heute zu einer Routinemethode geworden und wurde auch hier angewandt.

Wer hat das herausgefunden ?

Eine Gruppe von Wissenschaftlern um Z. J. Donhauser an der  Pennsylvania State University. Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift  Science, Band 292, S. 2303-07 veröffentlicht.

Die Forscher haben auch eine Seite mit  3 Filmen (je ca. 3 – 4 MB) ins Netz gestellt, die die Vorgänge beim Schalten des Moleküls veranschaulichen.

 

 

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