Johannes Schaffert kann die Bewegung von Molekülen hören. Der Forscher des Center for Nanointegration der Universität Duisburg-Essen (CENIDE) hat mit seinem Team eine Technologie entwickelt, die es ermöglicht, Bewegungen einzelner Atome und Moleküle in Echtzeit nachzuverfolgen.
«Wie Fernseher-Rauschen»
«Dass sich die Moleküle auf der Oberfläche eines Materials bewegen, lässt sich an den Stromschwankungen messen», sagt Birte Vierjahn, Referentin am CENIDE, gegenüber pressetext. Die Bewegungen der Moleküle erzeugen sogar ein Geräusch, dem Schaffert über einen Kopfhörer lauschen kann. Laut dem Forscher klingt es so, wie einst das Rauschen eines Fernsehers nach Sendeschluss.
Neben den Geräuschen können Schaffert und seine Kollegen konkrete Informationen über das Verhalten einzelner Moleküle ziehen. Die Wissenschaftler nutzen hierzu ein Rastertunnelmikroskop (RTM). Beim RTM tastet eine winzige Nadel, deren Spitze aus nur wenigen Atomen besteht, die Oberfläche einer Probe Zeile für Zeile ab. Die Nadel misst - je nach deren Beschaffenheit - verschieden grosse Tunnelströme. Diesen Wert nutzen die Forscher, um den Abstand zwischen Nadel und Probe zu bestimmen und daraus ein Relief der Oberfläche zu erstellen.
Bewegung der Moleküle erzeugt Geräusche. (Symbolbild) /
Information in Geräuschen enthalten
Die CENIDE-Forscher analysierten einzelne Moleküle des blauen Farbpigments Kupferphthalocyanin auf einer Kupferoberfläche. Dabei stellten sie fest, dass der Messwert an manchen Stellen des Moleküls nicht konstant blieb. Der Stromfluss sprang hin und her. Diese Sprünge konnten sie als Rauschen im Mess-Signal hörbar machen. Obwohl die Moleküle vermeintlich fest an der Oberfläche gebunden waren, musste eine Bewegung stattfinden. «In der Wissenschaft wird oft behauptet, im Rauschen läge keine Information», so der Leiter der Arbeitsgruppe, Rolf Möller.
«Das ist so nicht richtig, sie ist hier nur subtiler enthalten», konkretisiert Möller. Das Team entwickelte eine Elektronik, die parallel zur normalen Oberflächenmessung ebenfalls sämtliche Parameter des Rauschens erfasst: Schaltrate, Schaltamplitude und Taktverhältnis. «Das erfasst für uns in einem einzigen Messschritt neben der klassischen Oberflächentopographie, wie schnell der Strom springt, wie gross die Sprünge sind und wie lange der Strom auf dem jeweiligen Niveau bleibt», berichtet Schaffert.
Somit können die Experten in Echtzeit nachvollziehen, wie sich das Molekül bewegt. Diese Erkenntnis ist für die Molekularelektronik von ungeheurer Bedeutung: Die Zukunftstechnologie nutzt einzelne bewegliche Atome oder Moleküle als winzige Schalter, um zum Beispiel einen elektrischen Kontakt herzustellen oder zu trennen.
