Wer die elektrische Leitfähigkeit einzelner Moleküle messen will, muss sich etwas einfallen lassen. Roman Huber vom Schweizer Nanoforschungsinstitut in Basel benutzt dazu ein Verfahren, das derzeit nur eine handvoll Labors weltweit beherrschen. Um zu veranschaulichen, wie es funktioniert, hat er ein Modell gebastelt. Das Modell ist eine biegsame Plastikleiste von knapp einem Meter Länge, die Roman Huber mit etwas Kraftaufwand ein bisschen krümmen kann. Dabei entsteht auf der Oberseite, wo die Spannung am größten ist, eine Lücke im Material.
"Wenn wir Glück haben, versucht ein einzelnes Molekül diese Lücke zu überbrücken. Wenn wir dann eine Spannung anlegen, fließt ein Strom durch dieses Molekül von einer Seite auf die andere."
Der Forscher steckt eine tischtennisballgroße Metallkugel in den entstandenen Spalt und schließt dadurch einen Stromkreis, der eine Glühbirne am Ende der Plastikleiste aufleuchten lässt. Auf dem Labortisch hinten an der Wand funktioniert es im Prinzip genauso – nur dass alles Millionen Mal kleiner ist und die tischtennisballgroße Kugel in Wirklichkeit ein kettenförmiges kohlenstoffhaltiges Molekül mit wenigen Nanometern Länge. Roman Huber hält einen goldglänzenden Chip vom Format eines Objektträgers ins Licht.
"Links und rechts am Rand sehen Sie die elektrischen Kontakte, die sich allmählich verjüngen und dann zu dieser winzigen Brücke hier in der Mitte führen. Sie besteht aus einem Golddraht und überspannt einen Graben, der rund tausendmal schmaler ist als ein menschliches Haar."
Die filigrane Goldbrücke ist eine Sollbruchstelle im Nanoformat. Mit einer Art motorgetriebener Streckbank kann Roman Huber sie gezielt durchtrennen und die beiden Brückenteile kontrolliert einen Hauch weit auseinander schieben - der Biegetrick macht’s möglich. Mit einigen Nanometern Breite ist die resultierende Lücke schmal genug, damit ein einzelnes Molekül sie überbrücken kann. Zum Beispiel eine jener Kohlenstoffketten, für die sich die Forscher derzeit interessieren.
"Für die Messung pressen wir eine gläserne Flüssigkeitskammer auf den eingespannten Chip. Darin befindet sich eine Lösung, die jene Moleküle enthält, deren Leitfähigkeit wir untersuchen wollen. Wir vergrößern den Spalt in der Goldbrücke allmählich und messen dabei, wie viel Strom darüber fließt – das läuft alles computergesteuert."
Bei wachsendem Spalt sinkt der Stromfluss erwartungsgemäß rasch. Aber nicht gleichmäßig, sondern in Stufen. Und genau diese Plateaus in den Messkurven sind es, die Roman Huber interessieren. Denn sie entstehen dadurch, dass einzelne Moleküle den Stromkreis schließen – und zwar solange, bis die Lücke zu groß wird für ihre Spannweite.
"Wir verpassen den Molekülen, die wir untersuchen wollen, spezielle Endgruppen, die sehr gut an Gold binden. Beim Öffnen der Brücke hängt sich darum fast immer eins in den Zwischenraum. Manchmal sind es auch mehrere, aber wenn man den Spalt vergrößert, bleibt irgendwann nur noch eines übrig."
Aus dessen Beitrag zum Stromfluss ziehen die Forscher dann Rückschlüsse auf seine elektrische Leitfähigkeit - und gewinnen so wertvolle Informationen, die es erlauben, mögliche Bausteine für künftige Schalter und Transistoren auf Molekülbasis zu identifizieren.
"Wenn wir Glück haben, versucht ein einzelnes Molekül diese Lücke zu überbrücken. Wenn wir dann eine Spannung anlegen, fließt ein Strom durch dieses Molekül von einer Seite auf die andere."
Der Forscher steckt eine tischtennisballgroße Metallkugel in den entstandenen Spalt und schließt dadurch einen Stromkreis, der eine Glühbirne am Ende der Plastikleiste aufleuchten lässt. Auf dem Labortisch hinten an der Wand funktioniert es im Prinzip genauso – nur dass alles Millionen Mal kleiner ist und die tischtennisballgroße Kugel in Wirklichkeit ein kettenförmiges kohlenstoffhaltiges Molekül mit wenigen Nanometern Länge. Roman Huber hält einen goldglänzenden Chip vom Format eines Objektträgers ins Licht.
"Links und rechts am Rand sehen Sie die elektrischen Kontakte, die sich allmählich verjüngen und dann zu dieser winzigen Brücke hier in der Mitte führen. Sie besteht aus einem Golddraht und überspannt einen Graben, der rund tausendmal schmaler ist als ein menschliches Haar."
Die filigrane Goldbrücke ist eine Sollbruchstelle im Nanoformat. Mit einer Art motorgetriebener Streckbank kann Roman Huber sie gezielt durchtrennen und die beiden Brückenteile kontrolliert einen Hauch weit auseinander schieben - der Biegetrick macht’s möglich. Mit einigen Nanometern Breite ist die resultierende Lücke schmal genug, damit ein einzelnes Molekül sie überbrücken kann. Zum Beispiel eine jener Kohlenstoffketten, für die sich die Forscher derzeit interessieren.
"Für die Messung pressen wir eine gläserne Flüssigkeitskammer auf den eingespannten Chip. Darin befindet sich eine Lösung, die jene Moleküle enthält, deren Leitfähigkeit wir untersuchen wollen. Wir vergrößern den Spalt in der Goldbrücke allmählich und messen dabei, wie viel Strom darüber fließt – das läuft alles computergesteuert."
Bei wachsendem Spalt sinkt der Stromfluss erwartungsgemäß rasch. Aber nicht gleichmäßig, sondern in Stufen. Und genau diese Plateaus in den Messkurven sind es, die Roman Huber interessieren. Denn sie entstehen dadurch, dass einzelne Moleküle den Stromkreis schließen – und zwar solange, bis die Lücke zu groß wird für ihre Spannweite.
"Wir verpassen den Molekülen, die wir untersuchen wollen, spezielle Endgruppen, die sehr gut an Gold binden. Beim Öffnen der Brücke hängt sich darum fast immer eins in den Zwischenraum. Manchmal sind es auch mehrere, aber wenn man den Spalt vergrößert, bleibt irgendwann nur noch eines übrig."
Aus dessen Beitrag zum Stromfluss ziehen die Forscher dann Rückschlüsse auf seine elektrische Leitfähigkeit - und gewinnen so wertvolle Informationen, die es erlauben, mögliche Bausteine für künftige Schalter und Transistoren auf Molekülbasis zu identifizieren.