Óriási lépések a nanovilágban

2007.02.08. 6:24

Először sikerült megfigyeléssel igazolni egy nanokerék megpördülését - közölték német és francia kutatók a Nature Nanotechnology c. folyóirat februári számában megjelenő, előzetesen online közzétett tanulmányukban.

Ha nano-, akkor tehát a kerék mérete a méter milliárdod részének mérettartományba esik, vagyis a megforgatásához különleges eszközre volt szükség. Ez a pásztázó alagútmikroszkóp. Természetesen a jelenséget nem közvetlenül észlelték, műszeres mérések igazolták az elfordulást.

A pásztázó alagútmikroszkóp lelke egy rendkívül hegyes csúcs, amelyet a leképzendő felület felett mozgatnak. Egy elektromos szonda a műszer csúcsa és a felület közt folyó gyenge elektromos áramot érzékeli, az áram változásából rajzolódik ki a felület képe (az eszköz működése a kvantummechanikai alagútjelenségen alapszik). A pásztázó elektronmikroszkóppal kb. 0,2 nanométeres felbontással feltérképezhető a felületek atomszerkezete. A tű hegye és a felületi atomok közti kölcsönhatást kihasználva a berendezés egyes atomok mozgatására, áthelyezésére, kémiai reakciók megindítására, atomok és molekulák elektronállapotának megváltoztatására is alkalmazható.

Sík felületen már többféle atomot mozgattak, egyik helyről a másikra tolták át azokat. Az Ohio Egyetemen nemrég durva felületen is mozgattak atomokat, tehát a mozgatás már három dimenzióban zajlott. Az egyetem kutatói a Physical Review Letters c. szaklapban ezüstatomok manipulálását írták le. A pásztázó elektronmikroszkóp tűjének a hegyét ezüsttel vonták be, majd ezüstatomokat raktak halomba egy ezüstfelületen. A mikroszkóppal háromdimenziós felvételt készítettek a kis ezüstkupacról, és kiválasztották azt a pontot, ahonnan leemelhetőnek tűnt egy atom. Ezután a tűvel megközelítették, de nem érintették meg a kiszemelt atomot. Amikor már a nanométer tizedénél is közelebb volt a tű hegye az atomhoz, akkor ez az atom levált a halomról, és engedelmesen követte a tű mozgását, ahogy az a halomtól a sima felületre vezette.

A tapasztalatok szerint a tű hegye és a célba vett atom közti távolságtól függően háromféle kölcsönhatás alakul ki: nagyobb távolságnál vonzó elektrosztatikus erők, közepes távolságnál vonzó kémiai erők, a legkisebb távolságnál viszont már taszító erők lépnek fel. A kölcsönhatás részleteit a berlini Freie Universität kutatói tárták fel L. Grill vezetésével.

A berlini egyetemen egy négylábú molekulát alkottak meg, majd a molekula törzséhez csatlakozó lábakat pásztázó alagútmikroszkóppal mozgatták (alsó ábra). A lábakat hol párhuzamos, hol keresztezett állásba hozták. A mozgatás nem tett kárt sem a molekulában, sem a tűhegyben, mert csak vonzó erőket vetettek be. A molekula nagyon pontosan reagált a hatásokra, a tervezett lépéseket 99%-nál is sikeresebb arányban hajtották végre.

Forrás: Freie Universitat berlinA "kerekekkel" bíró molekulát (balra) Toulouse-ban, az anyagtudományi kutatóközpontban szintetizálták. A tengely hossza 0,6 nanométer, mindössze 4 szénatomból áll, ehhez csatlakoznak a szénatomokat is tartalmazó, 0,7 nanométer átmérőjű kerekek. Az intézet vegyészei évek óta foglalkoznak kerékkel bíró molekuláris gépezetek létrehozásával. 1998-ban már volt lapos molekuláris kerekük, amely összevissza mozgott a felületen. 2003-ban talicskát építettek egyetlen molekulából. A berliniekkel együtt végzett kísérletben a mozgatást ismét egy pásztázó alagútmikroszkóp egyetlen atomban (!) végződő tűhegyével érték el. A molekula kerékrésze csak akkor pördült meg, ha a tengelyre merőlegesen fejtettek ki erőt, az oldalirányú erőhatásokra az egész molekula elugrott a helyéről a rézfelületen. A kutatók elismerik, hogy nem ők csináltak először nanoméretű kereket, de ők tudták elsőként egyértelműen igazolni, hogy a tengelyből és kerekekből álló molekula kerekei megforgathatók.

Az eredmény jelentősége, hogy a nanoszerkezetek, molekuláris gépezetek építői egy újabb építőelemmel számolhatnak összetettebb rendszerek tervezésénél.

KAPCSOLÓDÓ CIKKEK