Miniaturisering is al lang een modewoord in de elektronica. Een team natuurkundigen van de Technische Universität München hebben een extreem resultaat geboekt met een nieuw soort moleculaire schakelaar. Voor het functio-neren is de positie van één enkel proton in een porfyrine ring met een binnendiameter van minder dan een halve nanometer van essentieel belang. De wetenschappers kunnen vier verschillende toestanden gericht instellen.
Porfyrines zijn de ringvormige moleculen, die hun structuur flexibel kunnen veranderen en daarmee ge-schikt zijn voor een veelheid aan toepassingen. Tetraphenylporfyrin vormt hierop geen uitzondering: het neemt graag een zadelvorm in en wordt bij verankering op een metaaloppervlak niet beperkt in zijn functionaliteit. In het inwendige van de molecule bevinden zich een paar waterstofatomen, die van positie kunnen wisselen in twee configuraties. Dit proces vindt continu en zeer snel plaats bij kamertemperatuur.
Voor het experiment onderdrukten de wetenschappers deze spontane beweging door het monster af te koelen. Op deze manier konden ze het hele proces in het aparte molecuul met een rastertunnelmicroscoop in gang zetten en waarnemen. Deze microscoop kan, in tegenstelling tot andere methoden, niet alleen de begin- en eindtoestand kan vasthouden, maar maakt het fysici ook mogelijk de waterstofatomen direct aan te sturen.
In een volgende stap verwijderen ze gericht een van de beide protonen uit het inwendige van de porfyrinring. Het achterblijvende proton kan daarop volgend vier verschillende schakelposities bezetten. Een minuscule stroom, die door de fijne punt van de microscoop vloeit, stimuleert de protonen-transfer en stelt zo een bepaalde configuratie in.
De ingenomen posities van het waterstofatoom beïnvloeden de elementaire structuur van het molecuul noch de binding aan de metalen oppervlakte, maar toch zijn de toestanden niet volledig identiek. Dit kleine maar geringe verschil en het gegeven dat het proces naar behoefte herhaalbaar is, definiëren één schakelaar die tot 500 keer per seconde kan worden bediend. De protonentransfer wordt daarbij veroorzaakt door één enkel tunnelelektron.
Het schakelmolecuul heeft een oppervlakte van een vierkante nanometer en is daarmee de kleinste tot nog toe gerealiseerde atomaire schakel-eenheid. De fysici zijn tevreden met de demonstratie en verheugen zich over de inzichten in het mechanisme van de protonenoverdracht.
