Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Weltweit erster Nachweis von strominduzierten Kräften zwischen zwei Molekülen

05.11.2019

Einem Forscherteam um Professor Jörg Kröger, Leiter des Fachgebietes Experimentalphysik der TU Ilmenau, ist es in enger Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern der Technischen Universität Dänemark gelungen, strominduzierte Kräfte in einem Kontakt aus genau zwei C60-Molekülen nachzuweisen. Die erzielten weltweit einzigartigen Ergebnisse sind bedeutsam für das grundlegende Verständnis kleinster elektrischer Kontakte und damit ihre Anwendung in miniaturisierten elektronischen Bauelementen. Sie wurden in der jüngsten Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Nano Letters“ veröffentlicht.

In ihrem Artikel „Nonequilibrium Bond Forces in Single-Molecule Junctions“ zeigen die Wissenschaftler auf, dass die strominduzierten Kräfte deutlich hervortreten, wenn die Moleküle im Begriff sind, eine chemische Bindung einzugehen.


Schematische Darstellung des Kontakts aus zwei C60-Molekülen. Im Experiment wird dieser Kontakt in einem kombinierten Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskop hergestellt.

Abbildung: TU Ilmenau

Diese Studie repräsentiert den weltweit ersten eindeutigen Nachweis von strominduzierten Kräften in einem molekularen Kontakt.

Neben der exzellenten theoretischen Unterstützung liegt der Erfolg der Arbeit darin begründet, dass die Experimentatoren den in den Simulationen verwendeten Kontakt aus zwei C60-Molekülen und Kupfer-Elektroden (siehe Abbildung) durch die Manipulation von Materie auf atomarer Skala nachgebildet haben.

Dieser im Experiment erreichte Modellcharakter des Kontakts erlaubt einen direkten Vergleich zwischen den Ergebnissen der komplexen Transportrechnungen in Dänemark und den erzielten experimentellen Ergebnissen in Ilmenau.

Bei der chemischen Bindung zweier Moleküle bilden sich bindende und antibindende Orbitale aus. Die Stärke der Bindung wird von der Besetzung dieser Orbitale mit Elektronen bestimmt. An dieser Stelle setzt die Motivation für die deutsch-dänische Zusammenarbeit an. Ein elektrischer Strom durch einen molekularen Kontakt wird über Orbitale geleitet.

Dabei werden bindende und antibindende Orbitale abweichend vom Gleichgewicht der chemischen Bindung ohne Strom besetzt. Die Bindung könnte also gelockert oder gestärkt, die Kraft zwischen den Molekülen abstoßend oder anziehend ausfallen.

Im Einklang mit den theoretischen Vorhersagen finden die Experimentatoren eine anziehende Kraft zwischen den C60-Molekülen bei Stromfluss, unabhängig von der Polung der Spannungsquelle. Kurz: Bringt man die Besetzung der an der Bindung beteiligten Orbitale durch Stromleitung aus dem Gleichgewicht, dann ersteht eine attraktive Wechselwirkung zwischen den Bindungspartnern.

Für makroskopische elektrische Kontakte ist schon lange das Phänomen der Elektromigration bekannt, bei dem ein elektrischer Strom über die Grenzfläche aus zwei unterschiedlichen Materialien eine unerwünschte Durchmischung der Materialien hervorruft.

Man deutet die Elektromigration mit Hilfe des Impulsübertrags der stromtragenden Elektronen auf die Atome der Materialien und spricht häufig von der Wirkung des Elektronenwindes auf die Atompositionen.

Das Analogon zum Elektronenwind in der molekularen Elektronik, wo Kontakte nur noch aus einzelnen Molekülen oder Atomen bestehen, sind, wie die Arbeit von Prof. Jörg Kröger zeigt, Kräfte, die aus der gleichgewichtsfernen Besetzung von Molekülorbitalen herrühren.

Die Gruppe von Prof. Jörg Kröger beschäftigt sich seit einigen Jahren mit den Kräften auf atomarer Skala, die häufig im Piko-Newton-Bereich liegen. Dazu wird ein im Jahr 2015 in Betrieb genommenes Rasterkraftmikroskop verwendet, das Kräfte aus Frequenzänderungen einer schnell schwingenden Sonde ermittelt.

Ein prominentes Beispiel ist die Bestimmung von Kräften zum Verschieben einzelner Atome auf Oberflächen (Phys. Rev. B 98, 235420 (2018)), womit wichtige Erkenntnisse zum atomaren Ursprung der Reibung erzielt wurden. Weiter hat sich kürzlich gezeigt, dass der Übergang zwischen van-der-Waals-Anziehung und Pauli-Abstoßung zweier Moleküle von der angelegten Spannung abhängt (New J. Phys. 21, 103041 (2019)).

Das Ziel der Arbeiten von Prof. Jörg Kröger ist im Allgemeinen das Aufspüren von physikalischen Mechanismen, um der „Natur in die Karten zu schauen‟. Losgelöst von Anwendungen werden Mo-dellsysteme experimentell aufgebaut und untersucht. Dies erfordert extreme Bedingungen im Expe-riment, wie ein Ultrahochvakuum (10-9 Pa) und tiefe Temperaturen (≤ -268 °C).

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Jörg Kröger
Leiter Fachgebiet Experimentalphysik
Telefon: +49 3677 69-3609
E-Mail: joerg.kroeger@tu-ilmenau.de

Originalpublikation:

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.9b02845

Bettina Wegner | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.tu-ilmenau.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Halbleitermaterial Beta-Galliumoxid bietet beste Voraussetzungen für die Leistungselektronik der nächsten Generation
05.11.2019 | Forschungsverbund Berlin e.V.

nachricht Wasserstoff aus Erdgas ohne CO₂-Emissionen
30.10.2019 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Weltweit erster Nachweis von strominduzierten Kräften zwischen zwei Molekülen

Einem Forscherteam um Professor Jörg Kröger, Leiter des Fachgebietes Experimentalphysik der TU Ilmenau, ist es in enger Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern der Technischen Universität Dänemark gelungen, strominduzierte Kräfte in einem Kontakt aus genau zwei C60-Molekülen nachzuweisen. Die erzielten weltweit einzigartigen Ergebnisse sind bedeutsam für das grundlegende Verständnis kleinster elektrischer Kontakte und damit ihre Anwendung in miniaturisierten elektronischen Bauelementen. Sie wurden in der jüngsten Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Nano Letters“ veröffentlicht.

In ihrem Artikel „Nonequilibrium Bond Forces in Single-Molecule Junctions“ zeigen die Wissenschaftler auf, dass die strominduzierten Kräfte deutlich...

Im Focus: Chemische Photokatalyse geht baden

Licht, Wasser und Seife reichen aus, um stabile chemische Bindungen zwischen Kohlenstoff und Chloratomen zu spalten und für Reaktionen zu aktiveren. Das haben Regensburger Chemiker herausgefunden. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature Catalysis publiziert.

Chemische Synthesen werden meist in organischen Lösemitteln, wie z. B. Alkohol, durchgeführt.

Im Focus: Gedächtniseffekt auf Einzelatom-Ebene

Eine internationale Forschungsgruppe hat an einem künstlichen Riesenatom neue Quanteneigenschaften beobachtet und ihre Ergebnisse nun im hochrangigen Fachjournal Nature Physics veröffentlicht. Das untersuchte Quantensystem weist offenbar ein Gedächtnis auf – eine neue Erkenntnis, die man für den Bau eines Quantencomputers nutzen könnte.

Die Forschergruppe aus deutschen, schwedischen und indischen Wissenschaftlern hat ein künstliches Quantensystem untersucht und dabei neue Eigenschaften...

Im Focus: A Memory Effect at Single-Atom Level

An international research group has observed new quantum properties on an artificial giant atom and has now published its results in the high-ranking journal Nature Physics. The quantum system under investigation apparently has a memory - a new finding that could be used to build a quantum computer.

The research group, consisting of German, Swedish and Indian scientists, has investigated an artificial quantum system and found new properties.

Im Focus: Shedding new light on the charging of lithium-ion batteries

Exposing cathodes to light decreases charge time by a factor of two in lithium-ion batteries.

Researchers at the U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory have reported a new mechanism to speed up the charging of lithium-ion...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Hochentropie-Legierungen für heiße Turbinen und unermüdliche Pressen

05.11.2019 | Veranstaltungen

Herrenhausen Late: „It’s Laser-Time! Über die Vorzüge gebündelten Lichts“

04.11.2019 | Veranstaltungen

Zukunft HR - Die Online Fokus Herbstkonferenz 2019 vom 4. bis 8. November

01.11.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Chemische Photokatalyse geht baden

05.11.2019 | Biowissenschaften Chemie

Thüringer Innovationszentrum Mobilität erforscht Umweltbelastung im Straßenverkehr der Zukunft

05.11.2019 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Veränderungen südpazifischer Höhenwinde beeinflussen Antarktis langfristig

05.11.2019 | Geowissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics