Molekulare Elektromotoren

• Antragsteller: Dr. Lukas Gerhard; Professor Dr. Marcel Mayor
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 399469443

Während ein Motor von makroskopischer Größe auf eine gerichtete Kraft mit einer gerichteten Bewegung reagiert, führt die thermische Energie zur Brownsche Molekularbewegung, die die Besetzung der möglichen Zustände eines Systems auf der Nanoskala beeinflusst. Neben der erstaunlichen Vielfalt von molekularen Maschinen in der Biologie gibt es nur sehr wenige künstlich hergestellte molekularen Motoren. Unser Ziel ist es neue Antriebsmöglichkeiten auf der Nanoskala zu finden, die das Spin-Drehmoment des elektrischen Stroms ausnutzen. Die Idee des Spin-Transfer-Torque-Motors, bei dem ein spinpolarisierter Strom durch Spin-Umklapp-Prozesse innerhalb eines Moleküls entpolarisiert wird und somit ein Drehmoment auf dieses Molekül überträgt, wurde vor einigen Jahren von Ono et al vorgeschlagen. Experimentell konnte dieses Konzept jedoch noch nicht verifiziert werden. Unser Projekt zielt eine experimentelle Realisierung dieses Konzepts mit Hilfe passender Molekülkomplexe an. Als Erweiterung dieses Konzepts auf unpolarisierte Ströme nutzen wir in einem zweiten Experiment die spinabhängige Transmission durch chirale Moleküle, die dazu führt, dass ein Strom durch das Molekül polarisiert wird, so dass wiederum ein Übertrag des Drehmoments auf das Molekül stattfindet. Unser dritter Ansatz basiert auf dem klassischen Prinzip der Lorentzkraft auf ein stromdurchflossenes Molekül im Magnetfeld. Geeignete Kombinationen aus dreibeinigen Molekülplattformen mit ausgezeichneter Rotationsachse und Schwermetallkomplexen oder chiralen polyaromatischen Kopfgruppen sollen synthetisiert werden. Dabei bauen wir auf unsere Expertise in der erfolgreichen Synthese der nötigen Molekülbausteine. Die Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskopie (RTM) erlaubt es einzelne Moleküle anzusteuern und sogar bestimmte Teile eines Moleküls kontrolliert zu adressieren. In Vorarbeiten konnten wir zeigen, dass mit Hilfe von RTM die Chiralität und die Rotationsrichtung einzelner Moleküle identifiziert werden kann. Da unser RTM bei Temperaturen von etwa 5 K betrieben wird, die einer thermischen Energie in der Größenordnung von einem halben meV entspricht, können die Energiedifferenzen thermisch besetzter Zustände mit einer Genauigkeit im Bereich einiger μeV bestimmt werden. Darum erwartet man, dass bereits kleine Veränderungen der chemischen Struktur oder der Tunnelparameter zu Veränderungen der Drehbewegung bzw. der Besetzung der möglichen Zustände führen. Ein funktionierender unidirektionaler molekularer Motor soll dann als Ausgangspunkt für weitere Untersuchungen dienen, die dem tieferen Verständnis der Spin-Wechselwirkung in chiralen Molekülen bzw. Schwermetallkomplexen dienen. Eine enge Zusammenarbeit zwischen der synthetischen Chemie und der experimentellen Oberflächenphysik, die auf einem wöchentlichen Austausch basiert, wird es uns erlauben, die vorgeschlagenen Konzepte ausgiebig zu testen und geeignete Kombinationen aus molekularen Plattformen und funktionalen Kopfgruppen zu identifizieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Michal Valásek, Ph.D.; Professor Dr. Wulf Wulfhekel