En décadas recientes, los investigadores han podido producir estructuras a partir de átomos individuales. Uno de los primeros ejemplos fue presentado por D. M. Eigler y E. K. Schweizer en 1990 en Naturaleza , un pequeño logotipo de IBM formado a partir de unos pocos átomos de xenón producidos con un microscopio de sonda de barrido. Pero incluso hoy casi 30 años después, todavía estamos muy lejos de fabricar nanoestructuras directamente a partir de moléculas complejas. Aunque las moléculas son mucho más grandes que los átomos, son mucho más difíciles de controlar. "Con átomos, la orientación no es importante. Pero las moléculas tienen una forma específica. Por ejemplo, la orientación en la que se adhieren a una superficie o a la punta del microscopio es importante, "dice el profesor Stefan Tautz, director del instituto en Forschungszentrum Jülich.

En la revista revisada por pares Naturaleza , el grupo encabezado por el Dr. Ruslan Temirov en el instituto de Tautz ahora presenta un nuevo experimento innovador en el que orientaron con éxito una molécula de PTCDA en forma de plaquetas, que está estructuralmente relacionado con el grafeno, como se desee. Para hacerlo los investigadores utilizaron la punta de un microscopio de sonda de barrido para unir dos átomos de plata a los bordes de la molécula, que luego levantaron hasta que quedó de pie sobre la pequeña plataforma plateada.

"Hasta ahora, se supuso que la molécula volvería a su posición preferida y quedaría plana sobre la superficie. Pero ese no es el caso. La molécula es sorprendentemente estable en la orientación vertical. Incluso cuando lo empujamos con la punta del microscopio, no se cae; simplemente vuelve a subir. Solo podemos especular sobre la razón de esto, "dice el Dr. Taner Esat, primer autor del estudio.

El trabajo es un paso importante en el desarrollo de nuevas técnicas de producción con moléculas individuales. A lo largo de la historia, los humanos han aprendido a controlar el mundo en escalas cada vez más pequeñas. El objetivo final es poder fabricar arquitecturas moleculares arbitrarias. Esto implicaría ensamblar nanoestructuras directamente a partir de moléculas individuales, un poco como Lego. El potencial de aplicación sería ilimitado. Nanoelectrónica, en particular, se beneficiaría de las posibilidades completamente nuevas de realizar funcionalidades básicas, como la lógica, memoria, sensor, y circuitos amplificadores.

"En el mundo macroscópico, Los procesos de producción son muy sofisticados. En un nivel más pequeño, todavía no estamos tan avanzados. La naturaleza está muy por delante de nosotros allí, "explica Stefan Tautz. En las células vivas, las moléculas se forman siguiendo el mecanismo de autoensamblaje, según sus propiedades moleculares. Los investigadores del Instituto Peter Grünberg de Jülich (PGI-3) tienen como objetivo ir más allá de este paradigma natural. Con su investigación, esperan ser pioneros en una tecnología de fabricación que no se limite a unas pocas estructuras predeterminadas, pero permitirá la creación esencialmente libre de estructuras a nanoescala.

"Coge coches, ordenadores, y casas, por ejemplo. Porque la naturaleza no los crea espontáneamente, todas estas cosas tenemos que ensamblarlas nosotros, ya sea manualmente o utilizando máquinas. Y eso es exactamente lo que hemos hecho a nivel de moléculas individuales en este experimento:con nuestras manos, Producimos una estructura metaestable artificial que además ofrece una cierta funcionalidad deseada, "dice Stefan Tautz.

Los investigadores ya utilizaron con éxito la molécula de pie como una fuente de electrones que emite electrones individuales. La función de onda del electrón de este tipo de fuente de electrones está predeterminada por las propiedades químicas de la molécula. Tales fuentes de electrones podrían usarse, por ejemplo, para aplicaciones en holografía, que utilizan el carácter ondulatorio de los electrones emitidos para obtener imágenes. Gracias a experimentos como este, Los investigadores ahora anticipan una interacción productiva entre la fabricación de estructuras inusuales y nuevas funcionalidades.

Control manual y sondas para microscopios

El resultado de la investigación actual fue precedido por varios avances científicos. En los últimos años, p.ej., Los investigadores de Jülich lograron extraer selectivamente moléculas individuales de agregados y capas. El grupo encabezado por el Dr. Ruslan Temirov también está trabajando para mejorar el contraste y la resolución de microscopios que utilizan átomos y moléculas individuales como sondas. Para este propósito, moléculas individuales o átomos se unen como un sensor a la punta del microscopio. Estos mejoran drásticamente la resolución con la que se pueden obtener imágenes de estructuras e incluso campos eléctricos.