Molekulare Rotoren und Schalter zwischen thermischer und elektronischer Anregung

• Antragstellerinnen: Professorin Dr. Franziska Lissel; Dr. Francesca Moresco
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545984433

Unimolekulare Maschinen auf einer Oberfläche können externe Reize in Bewegung konvertieren. In den letzten Jahren wurden Rastertunnelmikroskop-induzierte Rotationen, laterale Bewegungen oder Konformationsänderungen von Molekülen publiziert Der nächste Schritt, d. h. die Entwicklung molekularer mechanischer Maschinen, die Arbeit erzeugen oder Energie speichern können, erfordert jedoch, Bewegungen zu kontrollieren. Dazu braucht es detailliertes Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen, welches bislang fehlt. Durch thermische Anregung kann dem Grundzustand eines Moleküls Energie zugeführt werden, doch nach dem mikroskopischen Reversibilitätsprinzip ist eine unidirektionale Rotation in diesem Fall unmöglich. Andererseits interagieren Tunnelelektronen bei jedem Elektronentransfer mit elektronisch angeregten Zuständen und können so eine gerichtete, d.h. kontrollierte Bewegung ermöglichen. Beide Energiequellen sind unter der Spitze eines Rastertunnelmikroskops verfügbar. In diesem Projekt werden wir Moleküldesign und -synthese mit Rastertunnelmikroskop-Experimenten (Bildgebung, Spektroskopie und Manipulation) bei variablen Temperaturen kombinieren, um molekulare Maschinen auf einer Au(111)-Oberfläche zu untersuchen und die physikalischen Grundlagen kontrollierter Bewegungen aufzuklären. Auf Grundlage der etablierten Zusammenarbeit der beiden Gruppen werden neue molekulare Maschinen synthetisiert, die eine Ankergruppe zur stabilen Oberflächenanbindung sowie einen räumlich von der Oberfläche entkoppelten schaltenden oder rotierenden Teil enthalten. Als Anker werden N-heterozyklische Carbene verwendet und mit molekularen Schaltern sowie Rotoren mit unterschiedlich hohen Rotationsbarrieren kombiniert. Die vertikal verankerten molekularen Maschinen werden mit Rastertunnelmikroskopie untersucht. Insbesondere werden wir die thermische Erwärmung der Oberfläche mit der Anregung durch Tunnelelektronen kombinieren. Letzteres erlaubt, die elektronisch angeregten Zustände des Moleküls einzubeziehen, was im klassischen Fall nicht möglich ist. Die Konformationsänderung der molekularen Schalter, d.h. das Schalten zwischen verschiedenen Zuständen, wird durch inelastische Tunnelelektronen und elektrische Felder induziert. Die molekularen Rotoren werden bei einer festen Temperatur (von 5 K bis RT) gehalten, um zu untersuchen, wie thermische Energie auf molekulare mechanische Freiheitsgrade übertragen werden kann. Die Aufklärung des Zusammenspiels thermischer Energie und Elektronentunnelanregung bei der Bewegungsinduktion wird das Verständnis chemischer Reaktionen und der Mechanik auf Oberflächen grundlegend verbessern. Dies wird einzigartige Informationen für die Konstruktion von molekularen Maschinen liefern, die thermische Energie speichern oder Arbeit erzeugen können. Im Hinblick auf Quanten-Engineering eröffnet dies faszinierende Perspektiven zu mono-thermischen Motoren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen