Licht steuert ultraschnelle Nanoschalter

Wissenschaftlern der Universität Oldenburg um Prof. Dr. Thorsten Klüner haben durch theoretische Modellierung von Systemen molekularer Nanostrukturen auf Supercomputern einen völlig neuen, durch Laserpulse kontrollierten Wechselwirkungsmechanismus entdeckt.

In den letzten Jahren hat sich die Nanotechnologie, d.h. die Entwicklung von Maschinen in Molekülgröße, zu einem zentralen Arbeitsbereich moderner Naturwissenschaften entwickelt. Der Nutzen von Nanomaschinen auf Molekülbasis liegt auf der Hand: In einem Reaktionskolben lassen sich weit mehr als 1024 dieser winzigen Komponenten herstellen. 10 (hoch) 24 – das ist eine 1 mit 24 Nullen. Zum Vergleich: 10 (hoch)24 Kieselsteine entsprechen etwa der Größe unseres Mondes. Somit stehen Nanomaschinen in praktisch unbegrenzter Menge zur Verfügung.

Die Natur bietet zahlreiche Beispiele für molekulare Maschinen. Biologische Phänomene wie der für die Muskelbewegung verantwortliche Aktin-Myosin-Nanomotor oder die rotierende Bewegung von ATPase, ein Enzym zur Energiegewinnung im menschlichen Körper, sind faszinierende Beispiele für das Potenzial molekularer Maschinen.

In der Nanotechnologie hat man schon länger Schalter, Pendel, Drehkreuze und andere Komponenten in Molekülgröße entwickelt. Eine zentrale Schwierigkeit allerdings bleibt: Wie lassen sich die Winzlinge durch Aufnahme von Energie gezielt steuern?

Wissenschaftler der Universität Oldenburg um Prof. Dr. Thorsten Klüner, Hochschullehrer für „Theoretische Physikalische Chemie“ am Institut Reine und Angewandte Chemie (IRAC), haben sich diese Frage vorgenommen und nun ihre wegweisenden Ergebnisse auf dem Gebiet der Oberflächen-Nanochemie in den „Physical Review Letters“ veröffentlicht, einer der führenden Fachzeitschriften.

Die Oldenburger haben Systeme molekularer Nanostrukturen untersucht, die durch schwache elektrostatische Wechselwirkung auf einer elektrisch isolierenden Metalloxidoberfläche adsorbiert sind. Durch theoretische Modellierung dieser Systeme auf Supercomputern ist es ihnen gelungen, einen völlig neuen, durch Laserpulse kontrollierten Wechselwirkungsmechanismus zu entdecken, der es in Zukunft möglich machen könnte, komplexe Nanosysteme effizient zu schalten.

Eine Besonderheit des neuen Mechanismus ist, dass die Schaltung solcher molekularer Nanostrukturen in einer Zeitskala von einigen Femtosekunden verläuft. Eine Femtosekunde entspricht dem billionstel Teil einer Millisekunde. Ein solches ultraschnelles Schalten von Nanostrukturen könnte, so Klüner, die Grundlage für hocheffiziente Nanomaschinen der Zukunft abgeben.

Imed Mehdaoui und Thorsten Klüner, Understanding Surface Photochemistry from First Principles: The Case of CO-NiO(100), in: Physical Review Letters, Vol. 98, p. 037601, 2007

Kontakt: Prof. Dr. Thorsten Klüner, IRAC, AG Theoretische Chemie, Tel.: 0441/798-3681, E-Mail: thorsten.kluener@uni-oldenburg.de