Die Steuerung von elektrischen Signalen mithilfe einzelner Moleküle ermöglicht die Miniaturisierung von Transistoren in integrierten Schaltkreisen bis auf die atomare Ebene. Dieses Forschungsgebiet der molekularen Elektronik ebnet nicht nur den Weg für die nächste Generation von ultra-leistungsfähigen Computern, sondern auch für ganz neue elektronische Systeme und Methoden. Die kooperierenden Forschungsgruppen der Jacobs University Bremen und der chinesischen Wuhan University of Science and Technology haben nun eine Methode zur Messung der Leitfähigkeit einzelner pharmazeutischer und biologischer Moleküle entwickelt.
Die Ergebnisse ihrer gerade publizierten Forschungsarbeit sind von den Herausgebern der Zeitschrift „Angewandte Chemie“ als „Hot Paper“ ausgewählt worden. Damit wird das Thema als höchstrelevant in einem sich schnell verändernden Forschungsfeld eingestuft.
In der molekularen Elektronik werden einzelne Moleküle zwischen zwei Elektroden zu einer elektrisch leitenden Verbindung gespannt, in der dann die molekulare Leitfähigkeit vermessen wird. Obwohl die zugrunde liegende Methode für dieses Phänomen, die Rastertunnelmikroskopie, bereits vor mehr als dreissig Jahren mit dem Nobelpreis bedacht wurde, ist eine grosse Einschränkung geblieben: Um Zugang zur molekularen Leitfähigkeit zu erhalten, mussten die zu vermessenden Moleküle permanent an die anorganischen Goldelektroden angebracht werden, meist über Schwefelbrücken.
„Wir haben die beiden Elektroden so modifiziert, dass wir nicht nur die molekulare Leitfähigkeit eines Einzelmoleküls bestimmen können. Sondern wir sind jetzt in der Lage, die Verbindungen nach Belieben auszutauschen, um die Leitfähigkeiten von vielen verschiedenen Molekülen nacheinander zu messen“, sagt Dr. Werner Nau, Professor für Chemie an der Bremer Jacobs University. Seine Arbeitsgruppe widmet sich der Entwicklung neuer physikalisch-chemischer Methoden und fortschrittlicher Hybridverbindungen für die Lebens- und Materialwissenschaften.
In der neuen elektronischen Messanordnung werden beide Elektroden mit organischen makrozyklischen Rezeptoren modifiziert, so dass sich gelöste Moleküle an die Verbindungsstelle anlagern und auch wieder ablösen können. Dies ist vergleichbar mit Steckverbindungen in der Elektrotechnik. Sie erlauben es, elektrische Elemente auszutauschen, etwa um defekte Komponenten zu ersetzen oder solche mit anderen Eigenschaften einzubauen. „Vereinfacht gesagt ist es uns gelungen, elektrische Steckverbindungen auf der Ebene von Einzelmolekülen einzuführen. Wir verwenden jetzt supramolekulare anstelle von kovalenten Bindungen an der leitenden Stelle. So werden ganz neue dynamische Messungen und Effekte möglich“, sagt Dr. Suhang He, eine der Erstautor:innen der Publikation und Postdoktorandin an der Jacobs University. Der zusätzliche Vorteil dieses Ansatzes ist, dass native, unveränderte Moleküle untersucht werden können, die invasive Einbringung von Schwefelgruppen ist also nicht mehr erforderlich.
In ihrer ersten Studie wendet das deutsch-chinesische Team die neu entdeckten supramolekularen elektrischen Verbindungen in der Biosensorik an, unter anderem für das Aufspüren von biologisch relevanten Verbindungen wie Camptothecin, einem Medikament für die Chemotherapie. Durch Messung der Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit konnte es zum Beispiel zeigen, wie einzelne Wirkstoffmoleküle in den neuen elektrischen Verbindungsstellen protoniert und deprotoniert werden. In Physik und Technik hat die neue molekularelektronische Methode Potential für fortschrittliche molekulare Computeranwendungen. Denn sie zeigt, wie die unterschiedlichen Eigenschaften molekularer Leiter rasch vermessen und getestet werden können.
Literatur
- Bohuai Xiao et al.; Dynamic Interconversions of Single Molecules Probed by Recognition Tunneling at Cucurbit[7]uril-Functionalized Supramolecular Junctions; Angewandte Chemie; 2022
