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31.01.11 Licht schaltet molekularen Magneten

Winziger magnetischer Schalter entwickelt

Wissenschaftler der Uni Kiel synthetisieren molekulare Maschine in Plattenspielerform

Einer Kieler Forschergruppe um den Chemiker Professor Rainer Herges ist es erstmals gelungen, den magnetischen Zustand eines einzelnen Moleküls bei Raumtemperatur gezielt zu steuern. Das schaltbare Molekül könnte beim Bau winziger elektromagnetischer Speicher ebenso zum Einsatz kommen wie in der Medizin.

Abb. 1: Das Plattenspieler-Molekül im Modell. Die Pfeile symbolisieren den magnetischen Zustand im Nickel-Ion, der sich durch Kontakt mit dem Stickstoffatom am "Tonarm" gezielt schalten lässt.
Quelle: Rainer Herges, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Die Wissenschaftler der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel entwickelten eine molekulare Maschine, die ähnlich wie ein Plattenspieler aufgebaut ist. Das Molekül besteht aus einem Nickel-Ion, das von einem Porphyrin-Ring umgeben ist, und einer Pyridylgruppe, die wie ein Tonarm darüber schwebt. "Wenn wir dieses Molekül mit blaugrünem Licht bestrahlen, wird das Stickstoffatom wie eine Nadel exakt senkrecht auf dem Nickel-Ion platziert", erklärt Rainer Herges. "Dadurch wird das Nickel-Ion magnetisch, weil die Paarung zweier Elektronen aufgehoben ist". Den entgegengesetzten Effekt hat blau-violettes Licht: Das Stickstoffatom wird wieder angehoben, die Elektronen finden sich zu einem Paar zusammen und das Nickel-Ion ist dadurch nicht mehr magnetisch. "Dieses Schalten des Magnetzustandes können wir durch abwechselndes Bestrahlen mit den beiden unterschiedlich langen Lichtwellen mehr als 10.000-mal wiederholen, ohne dass die molekulare Maschine ermüdet oder Nebenreaktionen eintreten", freut sich Herges.

Der entdeckte Schalter mit einem Durchmesser von nur 1,2 Nanometern könnte als winziger magnetischer Speicher in der molekularen Elektronik verwendet werden. Vor allem die Hersteller von Festplatten dürften daran interessiert sein, denn durch Verkleinern der Magnetpartikel auf der Oberfläche der Platten lässt sich eine höhere Speicherkapazität erreichen. Auch in der Medizin hält Professor Herges den Einsatz des magnetischen Schalters für denkbar: "Das Plattenspieler-Molekül kann intravenös als Kontrastmittel in der Kernspintomografie (MRT) verwendet werden, um nach Tumoren oder Engstellen in Blutgefäßen zu suchen. Erste Tests in der Neuroradiologie des Universitätsklinikums Schleswig-Holstein waren erfolgreich." Da durch das Schalten das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert wird, kommt man mit weniger Kontrastmittel aus als bei den bisher verwendeten magnetischen Salzen. Zudem, so Herges, könnte die molekulare Maschine als Basis für die Entwicklung neuartiger Kontrastmittel dienen, etwa um die Temperatur, den pH-Wert oder sogar bestimmte biochemische Marker im Körper dreidimensional darzustellen. Rainer Herges zählt mögliche Anwendungsgebiete auf: "Mit solchen Kontrastmitteln könnte man Entzündungsherde lokalisieren, Tumore aufspüren und viele Stoffwechselvorgänge visualisieren."

Quelle:

Magnetic Bistability of Molecules in homogenous solution at Room Temperature
S. Venkataramani, et. al., Science 2011. DOI: 10.1126/science.1201180

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Licht schaltet molekularen Magneten
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2011/jan/schalter.shtm)

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