Winziger magnetischer Schalter entdeckt

Einer Kieler Forschergruppe um den Chemiker Professor Rainer Herges ist es erstmals gelungen, den magnetischen Zustand eines einzelnen Moleküls bei Raumtemperatur gezielt zu steuern. Die Arbeit erscheint am heutigen Freitag (28.01.2011) in der Zeitschrift Science.

Das schaltbare Molekül, Ergebnis eines Teilprojekts des Sonderforschungsbereichs 677 „Funktion durch Schalten“, könnte beim Bau winziger elektromagnetischer Speicher ebenso zum Einsatz kommen wie in der Medizin.

Die Wissenschaftler der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel entwickelten eine molekulare Maschine, die ähnlich wie ein Plattenspieler aufgebaut ist. Das Molekül besteht aus einem Nickelion, das von einem Ring aus Farbstoff (Porphyrin) umgeben ist, und einem Stickstoffatom, das wie an einem Tonarm darüber schwebt. „Wenn wir dieses Molekül mit blaugrünem Licht bestrahlen, wird das Stickstoffatom wie eine Nadel exakt senkrecht auf dem Nickelion platziert“, erklärt Rainer Herges. „Dadurch wird das Nickelion magnetisch, weil die Paarung zweier Elektronen aufgehoben ist“, so der Chemieprofessor.

Den entgegengesetzten Effekt hat blau-violettes Licht: Das Stickstoffatom wird wieder angehoben, die Elektronen finden sich zu einem Paar zusammen und das Nickelion ist dadurch nicht mehr magnetisch. „Dieses Schalten des Magnetzustandes können wir durch abwechselndes Bestrahlen mit den beiden unterschiedlich langen Lichtwellen mehr als 10.000-mal wiederholen, ohne dass die molekulare Maschine ermüdet oder Nebenreaktionen eintreten“, freut sich Herges.

Der entdeckte Schalter mit einem Durchmesser von nur 1,2 Nanometern könnte als winziger magnetischer Speicher in der molekularen Elektronik verwendet werden. Vor allem die Hersteller von Festplatten dürften daran interessiert sein, denn durch Verkleinern der Magnetpartikel auf der Oberfläche der Platten lässt sich eine höhere Speicherkapazität erreichen. Auch in der Medizin hält Professor Herges den Einsatz des magnetischen Schalters für denkbar: „Das Plattenspieler-Molekül kann intravenös als Kontrastmittel in der Kernspintomografie (MRT) verwendet werden, um nach Tumoren oder Engstellen in Blutgefäßen zu suchen. Erste Tests in der Neuroradiologie des Universitätsklinikums Schleswig-Holstein waren erfolgreich.“ Da durch das Schalten das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert wird, kommt man mit weniger Kontrastmittel aus als bei den bisher verwendeten magnetischen Salzen. Zudem, so Herges, könnte die molekulare Maschine als Basis für die Entwicklung neuartiger Kontrastmittel dienen, etwa um die Temperatur, den pH-Wert oder sogar bestimmte biochemische Marker im Körper dreidimensional darzustellen. Rainer Herges zählt mögliche Anwendungsgebiete auf: „Mit solchen Kontrastmitteln könnte man Entzündungsherde lokalisieren, Tumore aufspüren und viele Stoffwechselvorgänge visualisieren.“

Die Christian-Albrechts-Universität zu Kiel hat als Forschungsuniversität im Norden Deutschlands eine ausgewiesene internationale Expertise in den Nanowissenschaften, zum Beispiel im Sonderforschungsbereich 677 „Funktion durch Schalten“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft. In der aktuellen Runde der Exzellenzinitiative bewirbt sich die CAU zudem mit einem Nano-Exzellenzcluster.

Originalveröffentlichung:
Magnetic Bistability of Molecules in homogenous solution at Room Temperature. Science 28.01.2011, DOI: 10.1126/science.1201180

Drei Bilder zum Thema stehen zum Download bereit:

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Bildunterschrift: Ein vergrößertes Modell des von Kieler Forschern entwickelten molekularen Schalters auf einem alten Grammofon. Unter blaugrünem beziehungsweise blauviolettem Licht funktioniert diese winzige Maschine im Prinzip wie ein Plattenspieler.

Copyright: CAU, Foto: Rainer Herges/Torsten Winkler

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Bildunterschrift: Professor Rainer Herges (links) und Marcel Dommaschk bestrahlen eine Lösung des molekularen Magnetschalters mit blaugrünem und blauviolettem Licht. Durch die Lichtwellen können die Forscher den magnetischen Zustand des Moleküls ändern.

Copyright: CAU, Foto: Torsten Winkler

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Bildunterschrift: Das Plattenspieler-Molekül im Modell. Die Pfeile symbolisieren den magnetischen Zustand im Nickelion, der sich durch Kontakt mit dem Stickstoffatom am „Tonarm“ gezielt schalten lässt.

Copyright: CAU, Grafik: Rainer Herges

Kontakt:
Prof. Dr. Rainer Herges
Otto Diels-Institut für Organische Chemie
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Tel.: 0431/880-2440
E-Mail: rherges@oc.uni-kiel.de