In der Nanowissenschaft ist die Kontrolle der Bewegung weicher Moleküle aufgrund ihrer Flexibilität im Vergleich zu starren Molekülen schwierig. Insbesondere ist nur ein Teil der weichen Moleküle geeignet, die für die Bewegungsinduktion notwendige Tunnelstromenergie zu absorbieren, anstatt Konformationsänderungen zu durchlaufen.
Eine Kooperation unter der Leitung von Waka Nakanishi und Katsuhiko Ariga am WPI-MANA ​​sowie We-hyo Soe und Christian Joachim am GNS und WPI-MANA ​​Satellite, CEMES-CNRS in Toulouse, hat ein konformativ flexibles Molekül entworfen, synthetisiert und charakterisiert. Dieses besteht aus zwei Binaftilin-Seitengruppen, die auf einem einfachen Phenyl-Chassis montiert sind. Die Schwingungsmoden der Seitengruppen können genutzt werden, um die Bewegung des Moleküls auf einer Au(111)-Oberfläche mittels inelastischer STM-Tunneleffekte zu induzieren. Das Molekül weist in Lösung zwei verschiedene nicht-planare Konfigurationen auf, die es auch nach der Adsorption an der Oberfläche beibehält. Auf der Metalloberfläche lassen sich Moleküle mithilfe eines spezifischen STM-Manipulationsprotokolls einzeln in eine planare Konfiguration überführen. Diese planare Konfiguration ist für die vorliegende Arbeit von besonderem Interesse, da sich nur planare Moleküle durch lokale STM-Anregungen kontrolliert auf der Oberfläche bewegen lassen.
In dieser Konfiguration sind die Moleküle auf der Oberfläche relativ stabil. Die planaren Moleküle wurden charakterisiert, um die Stellen zu bestimmen, an denen Elektronen injiziert werden müssen, um sie ohne mechanische Einwirkung auf der Oberfläche zu bewegen. Abhängig von der Eintrittsstelle des Tunnelstroms kann das Molekül nämlich anstelle der Bewegung eine nicht-planare Konfiguration (abweichend von der ursprünglichen) annehmen. Wird der Strom an der richtigen Stelle angelegt, lässt sich das Molekül kontrolliert bewegen. Die experimentelle Charakterisierung der Moleküle wurde durch Molekulardynamiksimulationen und Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen ergänzt, die zur Bestimmung der Molekülenergie beitrugen. Im April 2017 fand ein „Nano-Rennen“ statt, bei dem mehrere von Forschungsgruppen weltweit synthetisierte Moleküle um die Wette eine vorgegebene Strecke auf einer Goldoberfläche in kürzester Zeit zurücklegten. Angetrieben wurden sie dabei von STM-Spitzen. Das in dieser Arbeit vorgestellte Molekül ist eines der teilnehmenden Moleküle.

Referenz:
Soe, W.-H., Shirai, Y., Durand, C., Yonamine, Y., Minami, K., Bouju, X., Kolmer, M., Ariga, K., Joachim, C., und Nakanishi, W. Konformationsmanipulation und Bewegung eines Doppelpaddelmoleküls auf einer Au(111)-Oberfläche. ACS Nano 11, 10357–10365 (2017).

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