Licht knipst Nanoschalter an und aus

Ultraschnelle Elektronenmikroskopie macht schaltbare Nanokanäle sichtbar

28.11.2007

Mikroskopisch kleine Spalte tun sich in einem Kriställchen auf und schließen sich wieder - auf Befehl. Forschern um Ahmed H. Zewail gelang es mit Hilfe der so genannten ultraschnellen Elektronenmikroskopie (UEM), Feststoffe bei dieser Übung zu beobachten, wie sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten. Solche schaltbaren Nanokanäle könnten für eine zukünftige Nanoelektronik und für nanoskopische "Maschinen" von Interesse sein.

Zewail und sein Team vom California Institute of Technology sind bekannt für ihre "ultraschnelle" Wissenschaft: Zewail erhielt 1999 den Chemie-Nobelpreis die Entwicklung ultraschneller Laser-Techniken, mit denen die Bewegung einzelner Atome in einem Molekül während einer chemischen Reaktion beobachtet werden können. Jüngste Entwicklung aus Zewails Labors ist die ultraschnelle Elektronenmikroskopie. Es handelt sich dabei um die Kombination aus einem Femtosekunden-optischen System (eine Femtosekunde = 10-15 Sekunden) und einem hochauflösenden Elektronenmikroskop. Ergebnis ist ein neues Instrument mit extrem hoher sowohl räumlicher als auch zeitlicher Auflösung.

Zewail und sein Team haben nun entdeckt, dass nadelförmige Mikro-Kristalle aus Kupfer und der organischen Verbindung TCNQ (7,7,8,8-tetracyanochinodimethan, C12H4N4 ), ein kristalliner quasi-eindimensionaler Halbleiter, spezielle optomechanische Phänomene zeigt, die für nanoelektronische Anwendungen interessant sein könnten. Wie sich zeigte, werden diese Nadeln unter Bestrahlung mit Laserpulsen im Mikroskop länger (aber nicht breiter). Wird die Bestrahlung ausgeschaltet, ziehen sie sich wieder zusammen. Besonders gut sichtbar ist der Effekt, wenn eine Kristallnadel durch die Erschütterung eines kurzen starken Laserpulses gebrochen wurde: An der Bruchstelle entsteht ein kleiner Spalt von einigen zehn bis hundert Nanometern. Wenn sich der Kristall unter Bestrahlung ausdehnt, schließt sich dieser nanoskopische Kanal, beim Zusammenziehen des Kristalls ist er wieder da. Das Phänomen ist reversibel, wie mit dem UEM bestimmt werden konnte.

Warum aber recken und strecken sich die Mikrokristalle im Licht? Die negativ geladenen TCNQ-Ionen liegen im Kristall so, dass ihre zentralen flachen Sechsringe aufeinander gestapelt sind, in Richtung der Längsausdehnung der Nadel. Die Energie der Laserpulse regt Elektronen an, ein Teil wird zurückübertragen, so dass ungeladene TCNQ-Moleküle entstehen. In dieser ungeladenen Form ist die gestapelte Anordnung nicht mehr günstig. Sie beanspruchen jetzt mehr Platz, die Kristallnadel wird länger. Das Ausmaß der Dehnung hängt von der Stärke der absorbierten Energie ab.

"Unsere grundlegenden in situ-Untersuchungen mit dem UEM, mit denen wir das Verhalten nanoskopischer Materialien in Raum und Zeit beobachten können, eröffnen neue Forschungsfelder, vor allem für die Materialwissenschaften, die Nanotechnologie und die Biologie," zeigt sich Zewail überzeugt.

Originalveröffentlichung: Ahmed H. Zewail et al.; "Controlled Nanoscale Mechanical Phenomena Discovered with Ultrafast Electron Microscopy; Angewandte Chemie 2007, 119, No. 48, 9366-9370.

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