Negli ultimi decenni, i ricercatori sono stati in grado di produrre strutture da singoli atomi. Uno dei primi esempi è stato presentato da D. M. Eigler e E. K. Schweizer nel 1990 in Natura , un minuscolo logo IBM formato da pochi atomi di xeno prodotti con un microscopio a scansione di sonda. Ma anche oggi, quasi 30 anni dopo, siamo ancora lontani dal fabbricare nanostrutture direttamente da molecole complesse. Sebbene le molecole siano molto più grandi degli atomi, sono molto più difficili da controllare. "Con gli atomi, l'orientamento non è importante. Ma le molecole hanno una forma specifica. Per esempio, l'orientamento con cui aderiscono a una superficie o alla punta del microscopio è importante, " dice il prof. Stefan Tautz, capo dell'istituto al Forschungszentrum Jülich.

Nella rivista peer-reviewed Natura , il gruppo guidato dal Dr. Ruslan Temirov presso l'istituto di Tautz presenta ora un nuovo esperimento rivoluzionario in cui hanno orientato con successo una molecola PTCDA a forma di piastrine, che è strutturalmente correlato al grafene, come desiderato. Fare così, i ricercatori hanno usato la punta di un microscopio a scansione di sonda per attaccare due atomi d'argento ai bordi della molecola, che poi sollevarono finché non si erse in piedi sulla minuscola piattaforma d'argento.

"Fino ad ora, si presumeva che la molecola sarebbe tornata nella sua posizione preferita e sarebbe rimasta piatta sulla superficie. Ma non è così. La molecola è sorprendentemente stabile nell'orientamento verticale. Anche quando lo spingiamo con la punta del microscopio, non cade; semplicemente oscilla di nuovo. Possiamo solo ipotizzare il motivo di ciò, "dice il dottor Taner Esat, primo autore dello studio.

Il lavoro è un passo importante nello sviluppo di nuove tecniche di produzione con singole molecole. Nel corso della storia, gli umani hanno imparato a controllare il mondo su scale sempre più piccole. L'obiettivo finale è essere in grado di fabbricare architetture molecolari arbitrarie. Ciò comporterebbe l'assemblaggio di nanostrutture direttamente da singole molecole, un po' come Lego. Il potenziale applicativo sarebbe illimitato. Nanoelettronica, in particolare, trarrebbe vantaggio dalle possibilità completamente nuove di realizzare funzionalità di base, come la logica, memoria, sensore, e circuiti di amplificazione.

"Nel mondo macroscopico, i processi di produzione sono molto sofisticati. A un livello più piccolo, non siamo ancora così avanzati. La natura è molto più avanti di noi lì, " spiega Stefan Tautz. Nelle cellule viventi, le molecole si formano seguendo il meccanismo di autoassemblaggio, secondo le loro proprietà molecolari. I ricercatori dell'Istituto Peter Grünberg di Jülich (PGI-3) mirano ad andare oltre questo paradigma naturale. Con le loro ricerche, sperano di aprire la strada a una tecnologia di fabbricazione che non si limiti a poche strutture predeterminate, ma consentirà la creazione essenzialmente libera di strutture su scala nanometrica.

"Prendi le macchine, computer, e case, Per esempio. Perché la natura non li crea spontaneamente, tutte queste cose devono essere assemblate da noi, manualmente o utilizzando macchine. Ed è esattamente quello che abbiamo fatto a livello di singole molecole in questo esperimento:con le nostre mani, abbiamo prodotto una struttura metastabile artificiale che offre inoltre una certa funzionalità desiderata, "dice Stefan Tautz.

I ricercatori hanno già utilizzato con successo la molecola stand-up come fonte di elettroni che emette singoli elettroni. La funzione d'onda dell'elettrone di questo tipo di sorgente di elettroni è predeterminata dalle proprietà chimiche della molecola. Tali sorgenti di elettroni potrebbero essere utilizzate, Per esempio, per applicazioni in olografia, che utilizzano il carattere ondulatorio degli elettroni emessi per l'imaging. Grazie a esperimenti come questo, i ricercatori stanno ora anticipando un'interazione produttiva tra la fabbricazione di strutture insolite e nuove funzionalità.

Pulsantiera e sonde per microscopi

L'attuale risultato della ricerca è stato preceduto da numerosi progressi scientifici. Negli ultimi anni, per esempio., I ricercatori Jülich sono riusciti a estrarre selettivamente singole molecole da aggregati e strati. Il gruppo guidato dal Dr. Ruslan Temirov sta anche lavorando per migliorare il contrasto e la risoluzione dei microscopi utilizzando singoli atomi e molecole come sonde. Per questo scopo, singole molecole o atomi sono attaccati come un sensore alla punta del microscopio. Questi quindi migliorano notevolmente la risoluzione con cui è possibile visualizzare le strutture e persino i campi elettrici.