Moleküle sind winzig, teilweise nur ein Millionstel eines Regentropfens groß. Dementsprechend schwierig ist es, eine solche Verbindung zu kontrollieren. Doch genau das bewerkstelligten nun Wissenschaftler vom renommierten Argonne National Laboratory – und erzielten damit einen echten Durchbruch in der Molekular-Biologie. Das Drehen des Moleküls, dessen Mittelpunkt eine Seltene Erde darstellt, könnte gar eine neue Ära in der Industrie einleiten. Die genauen Details ihrer Entdeckung erklären die Forschenden im Fachmagazin „Nature Communcations“.
Seltene Erden nehmen bedeutende Rolle in der Industrie ein
Der Name der „Seltenen Erden“ ist irreführend. Schließlich handelt es sich um eine Reihe an metallischen Elementen, von denen die meisten relativ häufig vorkommen. Die Benennung beruht vielmehr auf ihrer kritischen Rolle in der Industrie. Sie werden nicht nur in Handys oder Laptops, sondern auch für Solarzellen oder Autobatterien verarbeitet und nehmen dort eine unersetzbare Rolle ein. „Unsere wichtigste Mission ist es, die Eigenschaften der Seltenen Erden, die bedeutende Materialien in der amerikanischen Industrie sind, auf Atomlevel zu verstehen“, erklärt Co-Autor Saw Hai Hla in einer Pressemitteilung.
Im Zentrum des drehenden Komplexes steht ein Europium-Atom, das zu den Seltenen Erden zählt. Es ist positiv geladen und heftet sich dadurch an die beiden anderen komplizierten Moleküle, die eine negative Ladung besitzen. Um es zu drehen, hefteten die Forschenden diese Verbindung auf ein Blatt aus Gold. „Wenn man ein Komplex mit positiven und negativen Ladungen auf ein Metallblatt verankert, werden die Ladungen normalerweise aufgelöst“, so Hla. „Wir waren begeistert, als das nicht passierte. Unsere Rechnungen haben ergeben, dass die Moleküle um das Europium-Atom als Isolatoren wirken und verhindern, dass die Ladung wegen des Goldblatts aufgehoben wird“.
Energie und Kosten könnten sich stark verringern
Für die Drehung verwendeten die Wissenschaftler ein sogenanntes Elektronentunnelmikroskop. Mit dessen Hilfe wurde ein elektrischer Strahl auf einen spezifischen Punkt des Komplexes gebündelt. „[Auf diese Weise] ist es uns möglich, das Europium-Komplex um 60 oder 120 Grad nach links oder rechts zu rotieren“, sagt Hla. „Die Bewegungskontrolle eines Seltene-Erden-Komplexes wie dieses könnte ein breites Spektrum von Technologien beeinflussen.“ Dazu zählten unter anderem die Mikroeletronik, die Quantentechnik, die Katalyse und die Umwandlung von Licht in Energie.
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