Wissenschaftler drehen ein einzelnes Molekül nach Bedarf im oder gegen den Uhrzeigersinn

Die Steuerung der Rotation dieses Moleküls könnte zu neuen Technologien für Mikroelektronik, Quantencomputer und mehr führen.

Sie können einen Baseball in Ihrer Hand leicht drehen, indem Sie Ihre Finger drehen. Aber Sie brauchen erfinderische Wissenschaftler mit Zugang zu erstklassigen wissenschaftlichen Einrichtungen, um ein Objekt zu drehen, das nur zwei Milliardstel Meter breit ist. Er ist millionenfach kleiner als ein Regentropfen.

Wissenschaftler des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) berichten, dass sie a präzise drehen können einzelnes Molekül so klein auf Anfrage. Der Schlüsselbestandteil ist ein einzelnes Europiumatom, a Seltenerdelement. Es sitzt im Zentrum eines Komplexes verschiedener Atome und gibt dem Molekül viele Anwendungsmöglichkeiten.

„Wir sind in der Lage, diesen Europiumkomplex um 60 oder 120 Grad nach rechts oder links zu drehen“, sagte Saw Wai Hla, Physiker am Center for Nanoscale Materials (CNM), einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science in Argonne, und Professor Physiker an der Ohio University. „Die Fähigkeit, die Bewegung eines Seltenerdkomplexes wie diesem zu kontrollieren, könnte sich auf eine Vielzahl von Technologien auswirken.“ Dazu gehören Mikroelektronik der nächsten Generation, Quantentechnologien, Katalyse zur Beschleunigung von Reaktionen, Umwandlung von Licht in Elektrizität und mehr.

Der Begriff „Seltene Erden“ ist irreführend. Seltenerdelemente sind nicht gerade selten, aber sie sind kritische Materialien, die in vielen verwendet werden elektronische Anwendungen, wie Mobiltelefone, Computerfestplatten, Sonnenkollektoren und Flachbildschirme. Die Fähigkeit, dieses Europiummolekül nach Bedarf zu spinnen, könnte ihre Anwendungen auf die Mikroelektronik der nächsten Generation ausdehnen, die mit relativ geringer Leistung arbeitet, Quantencomputer und mehr.

Seltene Erden verbinden sich leicht mit anderen Elementen in der Erdkruste. Es ist daher schwierig und teuer, reine Seltene Erden für Geräte herzustellen. Es ist auch teuer, sie aus Abfällen zu gewinnen, die seltene Erden enthalten. Der Europium-Komplex des Teams würde die für ein bestimmtes Gerät benötigte Menge an seltenen Erden reduzieren und wäre in großen Mengen viel billiger herzustellen.

Die Schlüsselkomponenten des Komplexes sind ein einzelnes Europiumatom mit positive Ladung und zwei kleine Moleküle mit negative Ladung. Das Europiumatom befindet sich im Zentrum des Komplexes, während eines der kleinen Moleküle an der Seite und das andere unten liegt.

Da sich Gegensätze anziehen, halten diese negativen und positiven Ladungen diese Komponenten zusammen, ohne dass eine chemische Bindung erforderlich ist. Und das kleine Molekül unten verankert den Komplex an der Goldfolie. Dieses Blatt fungiert als Tisch, um den gesamten Komplex an einem Ort zu halten, ähnlich wie Sie eine feste, flache Oberfläche benötigen, um eine Flasche zu drehen.

„Wenn Sie einen Komplex wie unseren mit positiven und negativen Ladungen an einem Blatt anbringen, lösen sich die Ladungen normalerweise auf“, sagte Hla. „Deshalb waren wir begeistert, als das hier nicht passierte. Unsere Berechnungen ergaben, dass die Atome in dem Komplex, der das Europium-Atom umgibt, als Isolator wirken, der verhindert, dass Ladungen zur Goldfolie abfließen.“

Die beiden negativ geladenen Moleküle des Komplexes wirken zusammen als a Steuergerät. Um die Rotation auszulösen, bewarb sich das Team elektrische Energie an einem bestimmten Punkt im Komplex durch die Spitze eines Instruments namens Rastertunnelmikroskop. Diese Sonde steuert nicht nur die Rotation, sondern kann auch den zu untersuchenden Komplex visualisieren.

Bei einer Temperatur von 100 Kelvin (minus 208 Fahrenheit) dreht sich das Team-Compound ständig. Diese Rotation stoppt, wenn sie die Temperatur auf 5 K ultrakalt senken. Das Anlegen elektrischer Energie löst die gewünschte Drehung um 60 oder 120 Grad im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn aus, je nachdem, wohin das elektrische Feld gerichtet ist.

„Die Entwicklung, Herstellung und Prüfung dieses Komplexes im Nanomaßstab wäre ohne die einzigartigen Instrumente von CNM nicht möglich gewesen“, sagte Hla.

Darüber hinaus lieferte eine Beamline (XTIP) in der Advanced Photon Source, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science in Argonne, den hochbrillanten Röntgenstrahl, der erforderlich ist, um festzustellen, dass das einzelne Europiumatom eine positive Ladung hatte. “XTIP ist das weltweit erste Strahlrohr, das der Technik der Synchrotron-Röntgen-Rastertunnelmikroskopie gewidmet ist”, sagte Volker Rose, ein Argonne-Physiker mit einer gegenseitigen Ernennung an der Ohio University.

„Mit der XTIP-Beamline konnten wir die elementaren und chemischen Zustände des Europium-haltigen Moleküls charakterisieren“, sagte Physikassistentin Nozomi Shirato. Diese Daten belegten, dass das einzelne Europiumatom im Molekül eine positive Ladung von plus drei hat und diese Ladung nicht verliert, wenn es auf der Goldoberfläche absorbiert wird. Diese Beibehaltung des Ladungszustands ist wesentlich für die Fähigkeit, das Molekül zu drehen.

“Unsere Hauptaufgabe besteht darin, die Eigenschaften von Seltenen Erden auf atomarer Ebene zu verstehen, die für die US-Industrie entscheidende Materialien sind”, fügte Hla hinzu. “Dieses spezielle Projekt könnte einen positiven Einfluss auf viele verschiedene Technologien haben, die derzeit existieren oder entwickelt werden könnten.”

Diese Studie wurde veröffentlicht in Naturkommunikation.