Molecuul loopt schokkerig over oppervlak

Sinds een aantal jaren is het mogelijk om afzonderlijke atomen en moleculen over een oppervlak te verplaatsen. Hiertoe gebruikt men vaak de scanning tunneling microscoop (STM): een instrument dat in wezen uit niets anders bestaat dan een uiterst fijne naald die vlak boven een oppervlak wordt bewogen. Dit unieke instrument combineert het vermogen om een atoom of molecuul over een oppervlak te 'duwen' met het vermogen om direct hierna een afbeelding van het oppervlak te maken, zodat het resultaat van de manipulatie kan worden bekeken.

Om een molecuul te kunnen verplaatsen, mag het niet te sterk aan het oppervlak zijn gebonden: anders moet er zo hard tegen het molecuul worden geduwd dat de intermoleculaire verbindingen worden verbroken en het molecuul uiteenvalt. Aan de andere kant mag het molecuul ook niet te los aan het oppervlak zijn gebonden, omdat het dan als gevolg van zijn thermische energie gemakkelijk uit zichzelf op de loop kan gaan. Tot voor kort was het daarom alleen mogelijk om bij lage temperatuur - dus geringe thermische energie - moleculen heelhuids over een oppervlak voort te schuiven.

Franse en Zwitserse onderzoekers hebben deze nanomanipulatie nu echter weten toe te passen bij kamertemperatuur. Daartoe hebben zij eerst gezocht naar een molecuul dat het beste aan bovengenoemde twee eisen voldeed. De beste kandidaat leek Cu-TBP-porfyrine te zijn: een porfyrine-ring rond een koperatoom, waaraan op vier plaatsen butylgroepen waren bevestigd. Deze vier 'poten' waren uit het vlak van de porfyrine-ring gedraaid, waardoor vooral zij de wisselwerking (via Vanderwaalskrachten) bepaalden tussen de centrale ring en het oppervlak (Science 271, p. 181).

De onderzoekers beschikten over speciaal ontwikkelde computersoftware, waarmee de naald van de STM via muisbediening over het oppervlak kon worden bewogen en bovendien steeds tussen 'duwen' en 'afbeelden' heen en weer kon worden geschakeld. Men behulp van deze techniek konden de bewuste moleculen bij kamertemperatuur één voor één heelhuids over het ultragladde koperoppervlak worden verplaatst. De moleculen konden ook van elkaar worden losgemaakt en ze konden ook in een ring worden samengevoegd: een vorm die deze moleculen uit zichzelf nooit zouden aannemen.

Het gedrag van de vier 'poten' van het molecuul werd bestudeerd met behulp van computersimulaties. Als de STM-naald vlak bij het molecuul is, vervormt dit als gevolg van de toenemende onderlinge afstoting. Deze vervorming vindt hoofdzakelijk plaats door een verdraaiing van de 'poten' rond de ring. Op een bepaald moment is de afstoting zo groot geworden, dat de bindingskracht met het oppervlak wordt overwonnen en het molecuul over een afstand van enkele koperatomen over het oppervlak schuift. De beweging van het molecuul lijkt op de bekende stick-slip-beweging in de macrowereld (bijvoorbeeld bij tandwielen en assen). De veerkracht van de poten zorgt er voor dat de centrale ring van het molecuul hierbij intact blijft.

    • George Beekman