Nas décadas recentes, pesquisadores foram capazes de produzir estruturas a partir de átomos individuais. Um dos primeiros exemplos foi apresentado por D. M. Eigler e E. K. Schweizer em 1990 em Natureza , um minúsculo logotipo da IBM formado a partir de apenas alguns átomos de xenônio produzidos com um microscópio de sonda de varredura. Mas mesmo hoje, quase 30 anos depois, ainda estamos muito longe de fabricar nanoestruturas diretamente de moléculas complexas. Embora as moléculas sejam muito maiores do que os átomos, eles são muito mais difíceis de controlar. "Com átomos, a orientação não é importante. Mas as moléculas têm uma forma específica. Por exemplo, a orientação em que eles aderem a uma superfície ou à ponta do microscópio é importante, "diz o Prof. Stefan Tautz, chefe do instituto em Forschungszentrum Jülich.

No jornal revisado por pares Natureza , o grupo liderado pelo Dr. Ruslan Temirov no instituto de Tautz agora apresenta um novo experimento revolucionário no qual eles orientaram com sucesso uma molécula de PTCDA em forma de plaquetas, que está estruturalmente relacionado ao grafeno, como desejado. Para fazer isso, os pesquisadores usaram a ponta de um microscópio com sonda de varredura para anexar dois átomos de prata às bordas da molécula, que eles então levantaram até que ficasse de pé na pequena plataforma de prata.

"Até agora, presumia-se que a molécula voltaria à sua posição preferida e ficaria plana na superfície. Mas esse não é o caso. A molécula é surpreendentemente estável na orientação vertical. Mesmo quando o pressionamos com a ponta do microscópio, não cai; ele simplesmente volta a subir. Só podemos especular quanto ao motivo disso, "diz o Dr. Taner Esat, primeiro autor do estudo.

O trabalho é uma etapa importante no desenvolvimento de novas técnicas de produção com moléculas únicas. Ao longo da história, os humanos aprenderam como controlar o mundo em escalas cada vez menores. O objetivo final é ser capaz de fabricar arquiteturas moleculares arbitrárias. Isso envolveria a montagem de nanoestruturas diretamente de moléculas individuais, um pouco como Lego. O potencial de aplicação seria ilimitado. Nanoeletrônica, em particular, lucraria com as possibilidades completamente novas de realizar funcionalidades básicas, como a lógica, memória, sensor, e circuitos amplificadores.

"No mundo macroscópico, os processos de produção são muito sofisticados. Em um nível menor, ainda não estamos tão avançados. A natureza está muito à nossa frente lá, "explica Stefan Tautz. Em células vivas, moléculas se formam seguindo o mecanismo de automontagem, de acordo com suas propriedades moleculares. Pesquisadores do Instituto Peter Grünberg de Jülich (PGI-3) estão buscando ir além desse paradigma natural. Com suas pesquisas, eles esperam ser pioneiros em uma tecnologia de fabricação que não se limite a algumas estruturas predeterminadas, mas permitirá a criação essencialmente livre de estruturas em nanoescala.

"Pegue os carros, computadores, e casas, por exemplo. Porque a natureza não os cria espontaneamente, todas essas coisas precisam ser montadas por nós - manualmente ou usando máquinas. E isso é exatamente o que fizemos no nível de moléculas individuais neste experimento:com nossas mãos, produzimos uma estrutura metaestável artificial que, adicionalmente, oferece uma certa funcionalidade desejada, "diz Stefan Tautz.

Os pesquisadores já usaram com sucesso a molécula stand-up como uma fonte de elétrons emissores de elétrons únicos. A função de onda do elétron desse tipo de fonte de elétrons é predeterminada pelas propriedades químicas da molécula. Essas fontes de elétrons podem ser usadas, por exemplo, para aplicações em holografia, que usam o caráter de onda dos elétrons emitidos para a geração de imagens. Graças a experimentos como este, os pesquisadores agora estão antecipando uma interação produtiva entre a fabricação de estruturas incomuns e novas funcionalidades.

Controle de mão e sondas para microscópios

O resultado da pesquisa atual foi precedido por diversos avanços científicos. Nos últimos anos, por exemplo., Os pesquisadores de Jülich tiveram sucesso em arrancar seletivamente moléculas individuais de agregados e camadas. O grupo liderado pelo Dr. Ruslan Temirov também está trabalhando para melhorar o contraste e a resolução dos microscópios usando átomos e moléculas individuais como sondas. Para este propósito, moléculas ou átomos individuais são anexados como um sensor à ponta do microscópio. Estes então aumentam dramaticamente a resolução com a qual estruturas e até mesmo campos elétricos podem ser visualizados.