DE19959904C2

DE19959904C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines elektrischen Stromes durch Biomoleküle

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Publication number: DE19959904C2
Application number: DE19959904A
Authority: DE
Inventors: Edward William Schlag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-12-11
Filing date: 1999-12-11
Publication date: 2002-03-14
Anticipated expiration: 2019-12-12
Also published as: DE19959904A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines elektrischen Stromes durch ein Medium. Ins besondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vor richtung zum Steuern eines elektrischen Stromes durch ein Me dium aus Biomolekülen, wobei zwei Kontaktelektroden zum Anle gen einer elektrischen Spannung an zwei unterschiedlichen Punkten mit dem Medium verbunden sind und mindestens ein phy sikalischer Parameter des Mediums verändert wird, so dass sich die Leitfähigkeit des Mediums ändert.

Ladungstransfer in Biomolekülen ist Gegenstand steigenden Interesses. Dies hängt u. a. damit zusammen, dass derartige Systeme als molekulare Leiter oder Schalter betrachtet werden können, wie es in "Electron transfer from isolated molecules to biomolecules", Bd. 1 und 2 in Adv. Chem. Phys., Bd. 106 und 107 (1999), Hrsg. Jortner, J., und Bixon, M., beschrieben ist. Mit Biomolekülen lassen sich molekulare Einrichtungen wie Lo gikgatter aufbauen, was vielfältige Möglichkeiten auf dem Ge biet der Informationsverarbeitung eröffnet. Erst in den letz ten Jahren konnten Speicherbausteine auf molekularer Basis hergestellt werden, u. a. beschrieben von Collier, C. P., Wong, E. W., Belohradsky, M., Raymo, F. M., Stoddart, J. F., Kuekes, P. J., Williams, R. S., Heath, J. R., in "Electronically configu rable molecular-based logic gates", Science 285 (1999), S. 391 -394. Diese Speicherelemente können einmal programmiert wer den und dann als PROM, also programmierbare Festwertspeicher eingesetzt werden. Ein nachträgliches Überschreiben des Zu standes des Speicherelements ist jedoch nicht möglich.

Zum Auslesen dieser molekularen Speicherbauelemente sind Schaltelemente nötig. Diese werden beim Stand der Technik auf Siliciumbasis hergestellt. Es stellt sich damit das Problem, dass zwar die Speicherelemente auf molekulare Größe reduziert werden konnten, die Logikgatter zum eigentlichen Auswerten und Verarbeiten von Information, d. h. UND-Gatter, ODER-Gatter etc. aber immer noch mit herkömmlicher Technik realisiert wer den und dementsprechend voluminös und umfangreich sind. Somit geht der Vorteil in Bezug auf Geschwindigkeit und Größe der molekularen Speicher verloren.

Ein weiteres Beispiel für Bauelemente auf dem Gebiet der Molekülelektronik sind Feldeffekt-Transistoren mit herkömmli chem Aufbau, bei denen organische Materialien verwendet wer den. In "Organic-Inorganic Hybrid Materials as Semiconducting Channels in Thin-Film Field-Effect Transistors", Science 286 (1999), S. 945-947 wird von Kagan, C. R., Mitzi, D. B., Di mitrakopoulos, C. D., ein TFT-Aufbau beschrieben, auf dem ein organisch-inorganischer Perovskit als Halbleiterkanal abge schieden ist. Damit lassen sich die Eigenschaften von preis werten Dünnschichttransistoren weiter verbessern. Derartige Bauelemente befinden sich aber noch immer deutlich oberhalb der molekularen Dimensionen und sind damit größer als dies für die gewünschten Schaltungen notwendig wäre.

Ferner wurden molekulare Systeme aus Donator, Polyenkette und Akzeptor synthetisiert, bei denen Elektronentransfer mit Licht induziert werden konnte. Wie in "Physikalische und che mische Grundlagen der Molekularelektronik", Phys. Bl. 47 (1991), S. 831-836 von Mahler, G., beschrieben weisen derar tige Systeme aber bei Bestrahlung mit Licht mehrere Nachteile auf, u. a. ist die Strukturkontrolle des Moleküls ein Problem.

Die Anbindung von molekularen Schichten an elektrische Kontakte wird in "Large On-Off Ratios and Negative Differenti al Resistance in a Molecular Electronic Device" von Chen, J., Reed, M. A., Rawlett, A. M., Tour, J. M., Science 286 (1999), S. 1550-1552 beschreiben.

Ein weiteres Anwendungsgebiet für molekulare Schalter ist die Steuerung von chemischen Prozessen. Molekulare Schalter eröffnen die Möglichkeit, Ladung über eine bestimmte Wegstrecke zu transportieren und somit quasi ferngesteuert eine che mische Reaktion auszulösen, zu begünstigen oder zu steuern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen molekula ren Schalter und ein entsprechendes Verfahren zum Steuern ei nes Ladungstransfers bzw. elektrischen Stroms anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merk malen nach Anspruch 6. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfin dung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der La dungstransfer von einem Molekülende zum anderen bei Polypep tidmolekülen in Sprüngen als "charge hopping" erfolgt. Wie von Baranov, L. Ya. und Schlag, E. W. in "New Mechanism for Facile Charge Transport in Polypeptides", Z. Naturforsch. 54a (1999), Seite 387-396 beschrieben, springt die Ladung unter bestimm ten Voraussetzungen von einem Abschnitt des Polypeptidmoleküls zu dem jeweils nächsten Abschnitt, wobei die einzelnen Ab schnitte Aminosäuren sind. Der Ladungstransport über das Poly peptidmolekül ist dabei je nach Aminosäuren sehr effizient bis vollständig unterbunden. Der Mechanismus beruht darauf, dass die Ladung von einer Aminosäure auf die nächste springt, wobei deren Energie rein lokaler elektronischer Anregung entspricht. Dabei ist es möglich, dass die Ladung letztendlich in einem Zustand ankommt, der nicht den elektronisch niedrigsten Zu stand der Molekülkette darstellt.

Der Ladungstransfer im Polypeptidmolekül basiert somit auf einem Sprungmechanismus und nicht, wie vermutet werden könnte, auf einem Bändermodell. Der Übergang der Ladung von einer Ami nosäure zur nächsten hat eine Dauer in der Größenordnung von 150 bis 200fsec. Diese Dauer lässt sich mit dem folgenden Mo dell erklären. Die Carbamidgruppe jeder Aminosäure ist in sich steif. Sie ist lose mit der nächsten Aminosäure verbunden. In einem molekülgebundenen Bezugssystem kann die Orientierung be nachbarter Aminosäuren durch zwei (Torsions-) Winkel Φ und Ψ an dem Drehpunkt dargestellt werden. Die Drehung benachbarter Aminosäuren ist über einen sehr großen Bereich der beiden Win kel Φ und Ψ frei und unabhängig. In einem kleinen Bereich, dem sog. Schaltbereich der Winkel Φ und Ψ nehmen die benachbarten Aminosäuren einen isoenergetischen Zustand mit sehr kleiner oder nicht vorhandener Energiebarriere ein, so dass sich ein Hybridzustand ergibt. In dieser Stellung der Aminosäuren liegt also eine starke Kopplung vor, und ein Ladungstransfer zwi schen den beiden Nachbaraminosäuren ist leicht möglich. Liegen die Werte für Φ und Ψ dagegen außerhalb des Schaltbereichs, so wird der Ladungstransfer mindestens zu einer Seite der Amino säure unterbrochen.

Der oben mit Bezug auf Polypeptidmoleküle beschriebene Me chanismus liegt auch bei anderen Biomolekülen vor, bei denen sich Molekülabschnitte innerhalb des Kettenmoleküls gegenein ander drehen und der Ladungstransfer zwischen den einzelnen Molekülabschnitten nur in bestimmten Stellungen erfolgt. Somit bietet der Ladungstransfer bei Biomolekülen aufgrund des Sprungmechanismus und der damit bedingten endlichen Übertra gungsgeschwindigkeit der Ladung die Möglichkeit des gezielten Steuerns eines Stromes durch den molekularen "Nanoleiter". Insgesamt lassen sich damit ganz neuartige Klassen von moleku laren elektronischen Bauelementen schaffen, bei denen flexible Polymerketten (also insbesondere Polypeptide) eingesetzt wer den, deren Flexibilität bestimmte sterische Konfigurationen ermöglicht, die durch Rotation oder eine andere Bewegung von Molekülabschnitten zueinander entstehen und bei denen ein La dungstransfer zwischen den Molekülabschnitten erfolgt. Dabei sind bei den meisten Konfigurationen die benachbarten Molekül abschnitte elektronisch voneinander entkoppelt, bei bestimmten kritischen Winkeln jedoch besteht eine starke Kopplung der be nachbarten Molekülabschnitte mit dem Ergebnis einer effizien ten Leitfähigkeit. Die unterschiedlichen Konfigurationen des Moleküls kann man als Ruhe- bzw. Aktivzustand (resting state und firing state) bezeichnen. Durch Unterbinden einer Drehung der Molekülabschnitte im Ruhezustand wird das Erreichen des Aktivzustandes verhindert. Mit anderen Worten, die Steuerung der Signalweiterleitung über das Molekül erfolgt durch Unter binden der Bewegung der Molekülabschnitte. Die Bewegung der Molekülabschnitte bei Polypeptiden wird dabei im ersten Fall durch Fixieren der Aminosäuren mittels Herstellung einer zu sätzlichen Bindung zwischen benachbarten Molekülabschnitten bzw. durch eine Umlagerung in dem Molekül oder auf andere Art bewirkt, wobei die Initiierung z. B. der Bindung zwischen Sei tengruppen der Aminosäuren chemisch oder photolytisch erfolgt. Andererseits kann photolytisch das Ionisationspotential der Seitengruppen in dem angeregten Molekül verändert werden, wo durch ebenfalls die interne Bewegung des Moleküls und damit der Ladungstransfer unterbunden werden kann. Aber auch durch Veränderung der Umgebung des Moleküls kann dessen interne Be wegung verhindert werden, beispielsweise durch Elektrostrikti on oder durch Initiieren einer Flüssigkristallphase. Zusammen fassend gilt also: keine Bewegung (innerhalb des Moleküls) - kein Ladungstransfer.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Steuern eines e lektrischen Stromes durch ein Medium angegeben, das die Schritte aufweist: Anlegen einer Spannung an zwei Kontakt elektroden, die an zwei unterschiedlichen Punkten mit dem Me dium verbunden sind, und Verändern mindestens eines physikali schen Parameters des Mediums, so dass sich die Leitfähigkeit des Mediums ändert. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Medium mindestens ein Kettenmolekül mit mehreren sich gegeneinander bewegenden Molekülabschnitten umfasst und das Verändern des mindestens einen Parameters des Mediums einen Parameter betrifft, durch den die interne Bewegung von benach barten Molekülabschnitten des Kettenmoleküls verhindert wird.

Insbesondere erfolgt das Verändern des mindestens einen physikalischen Parameters des Kettenmoleküls durch Bestrahlen mit elektromagnetischer Strahlung bei einer vorgegebenen Wel lenlänge, die von mindestens einem der mehreren Molekülab schnitte absorbiert wird. Bei der Verwendung als Kaskaden schalter umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform bei der Vorrichtung das Kettenmolekül einen ersten Molekülabschnitt, der elektromagnetische Strahlung einer ersten vorgegebenen Wellenlänge absorbiert, und einen zweiten Molekülabschnitt, der elektromagnetische Strahlung einer zweiten Wellenlänge absorbiert. Die elektromagnetische Strahlung für die Bestrahlung des Mediums weist bei dieser Ausführungsform entsprechend min destens die erste vorgegebene und die zweite vorgegebene Wel lenlänge auf.

Alternativ kann das Verändern des mindestens einen physi kalischen Parameters des Kettenmoleküls das Anlegen einer (ge pulsten) elektrischen Spannung umfassen. Damit wird die Indu zierung eines Dipolmomentes bzw. die Elektrostriktion des Mo leküls bewirkt.

In einer weiteren Alternative umfasst das Medium eine Schicht aus Kettenmolekülen. Das Verändern des physikalischen Parameters des Mediums besteht in diesem Fall in dem Anlegen eines externen Feldes mit einer Spannungspulsquelle, so dass es zu einer fixierten Orientierung der einzelnen Molekülab schnitte kommt, bei der ein Ladungstransport in dem Kettenmo lekül nicht mehr stattfindet.

Ferner wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum Steuern eines elektrischen Stromes durch ein Medium geschaffen, wobei die Vorrichtung ein Medium, dessen elektrische Leitfähigkeit von mindestens einem veränderbaren physikalischen Parameter abhängt, und zwei Kontaktelektroden zum Anlegen einer elektri schen Spannung umfasst, die an zwei unterschiedlichen Punkten mit dem Medium verbunden sind. Die erfindungsgemäße Vorrich tung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Medium mindestens ein Kettenmolekül mit mehreren sich gegeneinander bewegenden Molekülabschnitten umfasst und eine Vorrichtung zum Verändern des mindestens einen physikalischen Parameters des Mediums vorgesehen ist, durch den die interne Bewegung von benachbar ten Molekülabschnitten des Kettenmoleküls verhindert wird.

Insbesondere umfasst die Vorrichtung eine Strahlungsquelle für das Bestrahlen des Kettenmoleküls mit elektromagnetischer Strahlung bei einer vorgegebenen Wellenlänge, die von mindes tens einer der mehreren Molekülabschnitte absorbiert wird. Bei der Verwendung als Kaskadenschalter umfasst in einer bevorzug ten Ausführungsform der Vorrichtung das Kettenmolekül einen ersten Molekülabschnitt, der elektromagnetische Strahlung ei ner ersten vorgegebenen Wellenlänge absorbiert, und einen zweiten Molekülabschnitt, der elektromagnetische Strahlung ei ner zweiten Wellenlänge absorbiert. Die Strahlungsquelle strahlt bei dieser Ausführungsform entsprechend mindestens die erste vorgegebene und die zweite vorgegebene Wellenlänge ab.

Zum Steuern einer chemischen Reaktion mit Licht umfasst die Vorrichtung ein Chromophor als Donator und einen Akzeptor, die jeweils die Rolle einer der zwei Kontaktelektroden spie len. Die Strahlungsquelle emittiert eine weitere Wellenlänge, bei der das Chromophor eine elektrische Ladung freisetzt.

Alternativ umfasst die Vorrichtung eine Spannungspulsquel le auf. Damit wird die Induzierung eines Dipolmomentes bzw. die Elektrostriktion des Moleküls bewirkt.

In einer weiteren Alternative besteht das Medium aus einer Schicht aus Kettenmolekülen. Die Vorrichtung umfasst eine Spannungspulsquelle. Das Verändern des physikalischen Parame ters des Mediums besteht in diesem Fall in dem Anlegen eines externen Feldes mit einer Spannungspulsquelle, so dass es zu einer fixierten Orientierung der einzelnen Molekülabschnitte kommt, bei der ein Ladungstransport in dem Kettenmolekül nicht mehr stattfindet.

Allgemein kann erfindungsgemäß als schaltbarer elektri scher Leiter ein Kettenmolekül verwendet werden, bei dem das Kettenmolekül Molekülabschnitte umfasst, die sich gegeneinan der mit einer Rotationsperiode drehen, die kleiner als die kleinste Schwingungsperiode des Moleküls ist.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Vorrichtung kostengünstiger herzustellen ist als elektro nische Schaltkreise auf Silicium und um ein Vielfaches effi zienter ist als diese, was weitere Anwendungsgebiete für den molekularen Schalter eröffnet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsfor men, wobei Bezug genommen wird auf die beigefügten Zeichnun gen.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer ersten Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 2A und 2B zeigen Pfade im Phasenraum der Drehwinkel Ψ und Φ für eine Aminosäure bzw. für eine Folge von Aminosäu ren.

Fig. 3 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Im folgenden wird die Erfindung zunächst anhand einer ers ten Ausführungsform beschrieben, bei der die Steuerung mittels elektromagnetischer Strahlung erfolgt. Das Medium umfasst bei dieser Ausführungsform ein oder mehrere Polypeptidmoleküle als Kettenmolekül mit mehreren Aminosäuren als Molekülabschnitten.

In Fig. 1 ist ein Polypeptidmolekül 1 gezeigt, das eine Kette aus mehreren Aminosäuren 2 bildet. Als Aminosäuren ist jeweils Glycin dargestellt. Die einzelnen Aminosäuren 2 sind mit einem Index i bzw. i+1 bezeichnet. Glycin weist ein zent rales C-Atom 3 auf, das im folgenden als C_α-Atom bezeichnet wird. An dem C_α-Atom 3 des Glycin befinden sich eine CO-Gruppe 4 sowie eine NH-Gruppe 5.

Wie oben bereits erläutert drehen sich die CO-Gruppe 4 relativ zu dem C_α-Atom 3 um einen ersten Drehwinkel 8, der mit Ψ bezeichnet ist. Ebenso dreht sich die NH-Gruppe 5 relativ zu dem C_α-Atom 3 um einen zweiten Drehwinkel 9, der mit Φ bezeich net ist. Bei einem bestimmten Wert sowohl für Ψ als auch für Φ kommen sich die Sauerstoffatome zweier benachbarter Aminosäu ren 2 so nahe, dass ein Hybridzustand gebildet wird. In diesem Zustand springt die Ladung von der Aminosäure i zu der benach barten Aminosäure i+1. Wird also eine Ladung auf einer Amino säure i erzeugt, so bleibt die Ladung zunächst auf der Eingangsseite des C_α-Atoms 3, bis die Drehwinkel Φ_i-1,i und Ψ_i,i+1 einen kritischen Winkel erreichen und die Ladung zum nächsten Abschnitt i + 1 des Polypeptidmoleküls 1 springt. Nur in dieser Position der Aminosäuren 2 ist die Potentialfläche zwischen benachbarten Aminosäuren für die Ladung isoenergetisch. Die Ladung bewegt sich dabei in die durch ein äußeres Feld vorge gebene Richtung. Das äußere Feld ist in Fig. 1 durch die bei den oben und unten am Polypeptid 1 gezeigten Feldelektroden angedeutet, die mit einer Stromquelle verbunden sind.

Die Winkel Φ und Ψ zeigen dabei ein stochastisches Ver halten, kein kohärentes Verhalten. Dies lässt sich aus den entsprechenden Ramachandran-Diagrammen 10 ersehen, die in Fig. 2A und 2B gezeigt sind. In Fig. 2A ist der Verlauf einer mög lichen Trajektorie 12 in dem zweidimensionalen Phasenraum 10 des Systems mit den Koordinaten Φ und Ψ gezeigt. Wenn beide Winkel 8 und 9 in dem Ramchandran-Diagramm gleichzeitig in ein kleines "Fenster" bzw. einen kleinen Schaltbereich 11 gelan gen, in Fig. 2 als schraffiertes Quadrat dargestellt, so ist die Bedingung für den Sprung der Ladung von einer Aminosäure 2 zur benachbarten Aminosäure 2 erfüllt: die Ladung verlässt den Abschnitt i des Polypeptids 1 und springt zum Abschnitt i + 1 des Polypeptids 1.

In Fig. 2B ist die Bewegung der Ladung über mehrere Amino säuren 2 schematisch gezeigt. Die Ladung bewegt sich in der Darstellung von links nach rechts, die einzelnen Ramachandran- Diagramme 10 entsprechen den jeweiligen Aminosäuren 2 des Po lypeptids 1 und haben jeweils einen kleinen Schaltbereich 11. Innerhalb des ersten Diagramms 10 links in Fig. 2B bewegen sich die kritischen Winkel Φ und Ψ auf einer Trajektorie 12, die nach einer Zeit den Schaltbereich 11 berührt, so dass die Ladung zum nächsten Diagramm, dem mittleren Diagramm in Fig. 2B gelangt. Dort befinden sich die beiden Winkel Φ und Ψ in einer beliebigen Anfangsstellung, d. h. an einem beliebigen Ort in der Ebene 10 und bewegen sich auf einer Trajektorie 12, die zu einem späteren Zeitpunkt in dem Schaltbereich 11 mündet. Dann springt die Ladung von dem mittleren Diagramm 10 auf das Diagramm 10 rechts in Fig. 2B, usw.

Die Übergangsrate der Ladung zwischen benachbarten Amino säuren i und i + 1 hängt davon ab, in welcher Zeit die beiden Winkel Φ und Ψ in den Schaltbereich 11 gelangen. Die Zeitdau er, innerhalb derer die beiden Winkel Φ und Ψ den Schaltbe reich 11 erreichen, liegt in der Größenordnung von 170fsec. Mit anderen Worten, der Ladungstransfer läuft einerseits schnell genug ab, so dass er nicht durch Relaxationsprozesse wie Schwingungsrelaxation o. ä. gestört wird, und andererseits langsam genug, so dass die Möglichkeit besteht, den Ladungs transfer zu unterbrechen bzw. aufzuhalten.

Um die Drehung der CO-Gruppe 4 und der NH-Gruppe 5 um das C_α-Atom 3 mit den beiden Koordinaten Φ und Ψ gezielt beein flussen zu können, d. h. stören zu können, so dass der Ladungs transfer unterbunden wird, wird elektromagnetische Strahlung 7 in das Molekül 1 eingestrahlt. Dies ist in Fig. 1 gezeigt. Die elektromagnetische Strahlung 7 hat eine Energie hν bzw. eine entsprechende Wellenlänge λ, bei der wenigstens eine der Amino säuren 2 absorbiert. Eine derartige Strahlungsabsorption lässt sich besonders einfach bei höheren Aminosäuren als Glycin er reichen. So kann beispielsweise eines der Wasserstoffatome 6 an dem C_α-Atom 3 bei der Glycin-Aminosäure 2 durch eine (nicht dargestellte) Gruppe R substituiert werden. Damit ergibt sich eine andere Aminosäure 2 als Bestandteil des Polypeptids 1. Die eingestrahlte Energie hν wird dann von der (nicht darge stellten) Gruppe R an dem C_α-Atom 3 absorbiert. Dadurch ändert sich der Zustand der R-Gruppe, und die Drehung der CO-Gruppe 4 bzw. der NH-Gruppe 5 um das C_α-Atom 3 ist nicht mehr frei. Da sich damit die entsprechenden O-Atome benachbarter Aminosäuren 2 nicht mehr nahe kommen können, findet ein Ladungsaustausch zwischen den Aminosäuren 2 nicht mehr statt: das Polypeptidmo lekül 1 "sperrt". Erst wenn die Bestrahlung des Polypeptidmo leküls 1 beendet wird, können die CO-Gruppe 4 und die NH- Gruppe 5 wieder frei drehen, und ein Ladungstransfer wird wie der möglich: das Polypeptidmolekül 1 ist "leitend".

So kann die Ladung beispielsweise auf einer Aminosäure "eingefroren" werden - mindestens über einen kurzen Zeitraum von bis zu einigen Pikosekunden. Wird nämlich der Ladungs transfer zu beiden Seiten einer Aminosäure bzw. einer Gruppe von Aminosäuren unterbrochen, bleibt die Ladung in diesem Ab schnitt des Polypeptidmoleküls "gefangen". Dieser Zustand der "gefangenen" Ladung kann insbesondere ausgenutzt werden, um eine Ladung "zwischenzuspeichern". Erst das Abschalten der Be strahlung führt wieder zu einer Freigabe der Ladung, die sich dann weiter zu einem Ende des Moleküls bewegen kann.

Aufgrund des erläuterten Schaltverhaltens des Polypeptid moleküls 1 lassen sich verschiedene Anwendungsbeispiele für den erfindungsgemäßen molekularen Schalter finden, von denen zwei im folgenden erläutert werden.

Erstes Anwendungsbeispiel

Das Schaltverhalten des Polypeptids 1 ähnelt dem eines Schalttransistors und lässt sich auf einfache Art und Weise in ein UND-Gatter umsetzen, dessen Eingangs- und Ausgangszustände in der Tabelle 1 gezeigt sind.

Tabelle 1

In der ersten Spalte "Injektion" der Tabelle 1 ist der La dungszustand einer Aminosäure 2 des Moleküls 1 angegeben. Be findet sich eine Ladung auf der entsprechenden Aminosäure i, so entspricht das einer 1 in der ersten Spalte. In der zweiten Spalte der Wahrheitstabelle ist die "Schaltung" des Moleküls 1 angegeben. Wird das Molekül 1 z. B. bestrahlt, wird die Rotati on der Aminosäure i verhindert, und die Leitfähigkeit des Po lypeptids ist praktisch Null. Das Molekül ist nicht "geschal tet". Dieser Zustand ist in der zweiten Spalte mit 0 bezeichnet. Umgekehrt ist das Molekül "geschaltet", wenn die Rotation der Aminosäure i ungehindert erfolgen kann. Dieser Zustand ist in der zweiten Spalte mit 1 bezeichnet. Erst wenn sowohl in der Spalte "Injektion" als auch in der Spalte "Schaltung" eine 1 steht, erhält man auch in der Spalte "Ausgang" der Wahr heitstabelle eine 1, d. h. die Ladung wird von der Aminosäure 1 des Polypeptidmoleküls 1 an die nächste Aminosäure i+1 des Po lypeptidmoleküls 1 weitergegeben. Damit entspricht die Tabelle 1 der Wahrheitstabelle eines UND-Gatters.

Die "Schaltung" des Moleküls erfolgt in einer ersten be vorzugten Ausführungsform der Erfindung durch elektromagneti sche Anregung von Seitengruppen des Moleküls. Die elektromag netische Anregung bewirkt bei einer ersten Klasse von Molekü len als Medium die Änderung des elektronischen Zustandes we nigstens einer der Seitengruppen, so dass die Rotation der entsprechenden Gruppen nicht mehr frei ist. Dadurch wird der Ladungstransfer von einem Molekülabschnitt auf den nächsten mit hoher Effizienz verhindert. Bei einer zweiten Klasse von Molekülen als Medium wird durch die elektromagnetische Anre gung eine Verbrückung oder eine andere sterische Wechselwir kung zwischen benachbarten Molekülabschnitten bewirkt, so dass auch in diesem Fall eine ungehinderte Rotation von benachbar ten Molekülabschnitten und damit ein Ladungstransfer nicht mehr möglich ist.

Bei dieser ersten bevorzugten Ausführungsform, bei der das Molekül durch elektromagnetische Anregung "geschaltet" wird, werden ein einzelnes Molekül oder mehrere Moleküle auf einem (nicht dargestellten) Trägersubstrat angeordnet. Der Träger kann dabei insbesondere ein Halbleitersubstrat sein. An den Enden des Polypeptidmoleküls 1 ist jeweils eine Kontaktelekt rode vorgesehen. Die Strahlungsquelle für die Bestrahlung des Polypeptidmoleküls 1 ist vorzugsweise ein (nicht dargestell ter) Halbleiterlaser auf demselben Substrat wie der molekulare Schalter. Vorzugsweise werden mehrere molekulare Schalter auf dem Substrat angeordnet, die alle von demselben Halbleiterla ser bestrahlt werden. So lassen sich komplexe Logikgatter auf einem Chip aufbauen, die von einer gemeinsamen Lichtquelle an gesteuert werden.

Das Prinzip des einfachen UND-Gatters, das durch elektro magnetischen Anregung des Mediums gesteuert wird, lässt sich erweitern. Anstelle einer einzelnen Aminosäure können mehrere Aminosäuren vorgesehen werden, die bei unterschiedlicher Wel lenlänge absorbieren. Dies lässt sich wie oben erläutert da durch erreichen, dass die Aminosäuren jeweils eine unter schiedliche R-Gruppe an dem C_α-Atom 3 haben. Wird ein solches Polypeptidmolekül 1 mit verschiedenen Aminosäuren 2 mit zwei Wellenlängen hν₁ und hν₂ bestrahlt, so wird der Ladungstransfer an zwei Stellen im Molekül 1 unterbunden. Befindet sich die Ladung zwischen den beiden Stellen, so ist sie quasi "einge froren". Wird eine der beiden Wellenlängen hν₁ oder hν₂ abge schaltet, so wird der entsprechende Übergang zwischen benach barten Aminosäuren für die Ladung wieder frei. Somit lassen sich Kaskaden von UND-Gattern herstellen, bei denen einzelne Abschnitte des Polypeptidmoleküls 1 gezielt mit einer eigenen Wellenlänge geschaltet werden können.

Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform erfolgt die "Schaltung" des Moleküls durch Anlegen eines elektrischen Fel des an das Molekül, so dass ein Dipolmoment in dem Kettenmole kül erzeugt wird und es dadurch zu einer mechanischen Verände rung des Moleküls kommt (Elektrostriktion). Ein Ladungstrans port innerhalb des Kettenmoleküls wird durch die Elektrostrik tion unterbunden. Die Beeinflussung des Moleküls durch ein ex ternes Feld eröffnet aber auch die Möglichkeit, als Medium ei ne Schicht aus Kettenmolekülen einzusetzen, so dass größere Ströme geschaltet werden können. Bei dieser Ausführungsform wird das Feld an die Schicht aus Kettenmolekülen angelegt, so dass es zu einer durch das externe Feld fixierten Orientierung der einzelnen Molekülabschnitte kommt, bei der ein Ladungstransport in dem Kettenmolekül nicht mehr stattfindet. Ein entsprechender Aufbau ist schematisch in Fig. 3 darge stellt.

Das Medium 13 liegt in der Ausführungsform nach Fig. 3 als Schicht vor. Ein zu schaltender Strom fließt aus einer Stromquelle 14 über eine erste Kontaktelektrode 15 und eine zweite Kontaktelektrode 16 durch das Medium. Die Polypeptidmoleküle werden dazu als Schicht (z. B. Langmuir-Blodgett-Schicht) auf einer Trägeroberfläche aufgebracht, so dass die Moleküle aus gerichtet sind, wie dies in "Large On-Off Ratios and Negative Differential Resistance in a Molecular Electronic Device" von Chen, J., Reed, M. A., Rawlett, A. M., Tour, J. M., Science 286 (1999), S. 1550-1552 beschrieben ist. Als Träger wird bevor zugt ein Edelmetall wie z. B. Gold verwendet. Der Träger dient gleichzeitig als eine Kontaktelektrode 15 bzw. 16 für die Schicht. Die zweite Kontaktelektrode 16 bzw. 15 kann in einer Abwandlung des Standes der Technik auf diese Struktur aus Trä ger und Molekülen aufgedampft werden. Die einzelnen Moleküle des Mediums sind in Fig. 3 symbolisch als aus Strichen zusam mengesetzte Spalten dargestellt. Die Striche entsprechen den einzelnen Molekülabschnitten. Sobald die Molekülabschnitte ei nes Moleküls in dieser symbolischen Darstellung in etwa paral lel zueinander liegen (z. B. die Spalte ganz links in Fig. 3), ist das Molekül "geschaltet", d. h. leitend. Dagegen sperrt das Molekül (Spalte ganz rechts in Fig. 3), dessen Molekülab schnitte im wesentlichen quer zueinander stehen. Nach der obi gen Erläuterung des "charge hopping" ist es klar, dass nicht alle Molekülabschnitte gleichzeitig parallel oder quer stehen müssen, sondern nur die zwei benachbarten, bei denen ein La dungsaustausch stattfinden soll.

Um den Übergang einer Ladung von einem Molekülabschnitt zum nächsten Molekülabschnitt unterbinden zu können, werden zum geeigneten Zeitpunkt kleine Feldpulse in der Größenordnung von 0,2 V an die Molekülschicht 13 angelegt. Hierzu weist der Aufbau nach Fig. 3 eine Spannungspulsquelle 17 auf, die mit zwei Feldelektroden 18 und 19 verbunden ist. Die Feldelektro den 17 und 18 sind dabei in Bezug auf das Medium derart ange ordnet, dass in der Schicht 13 ein Dipolmoment induziert wird, durch das es in den einzelnen Molekülen zu einer den Ladungs transfer unterbindenden Orientierung der Molekülabschnitte kommt.

Ein elektrisches Potential zum Verhindern des Übergangs einer elektrischen Ladung von einem Molekülabschnitt auf den nächsten kann außer durch Anlegen eines externen Feldes über Feldelektroden auch durch elektromagnetische Anregung einer chromophoren Gruppe des Kettenmoleküls erreicht werden. In diesem Fall ändert sich durch die elektromagnetische Anregung des Chromophors das Redox-Potential, was ebenfalls zu einer Blockade der Rotation von Molekülabschnitten gegeneinander führt.

Zweites Anwendungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich auch zum Aus lösen bzw. Steuern von chemischen Reaktionen nutzen. Dazu wird an einem Ende des Polypeptidmoleküls 1 ein Chromophor vorgese hen, das mit einem Laser angeregt wird. Dabei wird eine elekt rische Ladung freigesetzt, die über das Polypeptidmolekül 1 abfließt. Die Bewegung der Ladung vom Chromophor über das Po lypeptid 1 zu einem Akzeptor für die Ladung an dem anderen En de der Polypeptids 1, der ein angekoppeltes Molekül zu einer Reaktion veranlasst, kann unterbrochen werden, indem das Mole kül 1 mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt wird, die von wenigstens einer Aminosäure 2 in dem Polypeptid 1 absor biert wird. Die entsprechende Aminosäure 2 verhindert nach der Absorption der Strahlung ein "Weiterspringen" der Ladung auf eine stromabwärts benachbarte zweite Aminosäure. Erst wenn die Strahlung abgeschaltet ist, kann sich die Ladung weiter in Richtung auf den Akzeptor bewegen. Damit ist ein UND-Gatter für zwei optische Eingangssignale und ein elektrisches Aus gangssignal geschaffen. Die Wahrheitstabelle dieses UND- Gatters entspricht der Tabelle 1, wenn man "Injektion" als Freisetzen der Ladung durch das Chromophor und "Schaltung" als aus- bzw. eingeschaltete Störung des Moleküls interpretiert. Durch die Steuerung chemischer Prozesse mit dem erfindungsge mäßen Verfahren ergibt sich somit erstmals die Möglichkeit, Chemie "ferngesteuert" ablaufen zu lassen.

Die Erfindung wurde mit Bezug auf das Schalten von elekt rischen Strömen beschrieben. Für den Fachmann ist jedoch nach Erläuterung des Prinzips des Ladungstransportes durch das Mo lekül klar, dass die Erfindung auch z. B. bei der Ladungstren nung analog zur Photosynthese wie bei Chlorophyll oder bei der Nutzung der Solarenergie in heutigen (amorphen) Silicium- Schichten anwendbar ist.

Erfindungsgemäß können als schaltbare elektrische Leiter Kettenmoleküle verwendet werden, die Molekülabschnitte umfas sen, die sich gegeneinander mit einer Rotationsperiode drehen, die kleiner als die kleinste Schwingungsperiode ist. Zum Steu ern des Ladungstransfers oder Stroms durch ein Biomolekül bzw. eine Schicht von Biomolekülen wird das neuentdeckte Prinzip der rotationsgesteuerten Ladungsmobilität ausgenutzt. Die Ro tationsperiode von zwei benachbarten Molekülabschnitten des Kettenmoleküls muss dabei insbesondere unter 1ps liegen, was einen ausreichenden Abstand gegenüber den kleinsten Schwin gungsdauern in dem Kettenmolekül sicherstellt. Diese Bedingun gen sind erfüllt, wenn als Kettenmolekül ein Polypeptidmolekül verwendet wird, dessen Molekülabschnitte Aminosäuren sind.

Bezugszeichen

1

Polypeptidkette

2

Aminosäure (dargestellt als Glycin)

3

Drehpunkt-C-Atom C_α

4

CO-Gruppe

5

NH-Gruppe

6

durch R substituierbares Wasserstoffatom an Dreh punkt-C-Atom C_α

7

Anregungslicht

8

erster Drehwinkel Ψ

9

zweiter Drehwinkel Φ

10

Ramachandran-Diagramm des Phasenraums der Drehwinkel Ψ und Φ

11

Schaltbereich, d. h. Sprung der Ladung zum nächsten Polypeptidmolekülabschnitt möglich

12

Trajektorie der Winkel Ψ und Φ in Ramachandran- Dia gramm

13

Medium

14

Stromquelle

15

erste Kontaktelektrode

16

zweite Kontaktelektrode

17

Spannungspulsquelle

18

erste Feldelektrode

19

zweite Feldelektrode

Claims

1. Verfahren zum Steuern eines elektrischen Stromes durch ein Medium mit den Schritten:
Anlegen einer Spannung an zwei Kontaktelektroden, die an zwei unterschiedlichen Punkten mit dem Medium verbunden sind, und
Verändern mindestens eines physikalischen Parameters des Mediums, so dass sich die Leitfähigkeit des Mediums ändert,
wobei
das Medium mindestens ein Kettenmolekül (1) mit mehreren Molekülabschnitten (2) umfasst und
das Verändern des mindestens einen physikalischen Parame ters des Mediums einen Parameter betrifft, durch den die in terne Bewegung von benachbarten Molekülabschnitten (2) des Kettenmoleküls (1) verhindert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verändern des mindestens einen physikalischen Parame ters des Kettenmoleküls (1) das Bestrahlen des Mediums mit e lektromagnetischer Strahlung (7) bei einer vorgegebenen Wel lenlänge, die von mindestens einer der mehreren Molekülab schnitte (2) absorbiert wird, umfasst.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
das Kettenmolekül (1) einen ersten Molekülabschnitt, der elektromagnetische Strahlung einer ersten vorgegebenen Wellen länge absorbiert, und einen zweiten Molekülabschnitt, der e lektromagnetische Strahlung einer zweiten Wellenlänge absor biert, umfasst und
die elektromagnetische Strahlung (7) für die Bestrahlung des Mediums mindestens die erste vorgegebene und die zweite vorgegebene Wellenlänge aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verändern des mindestens einen physikalischen Parame ters des Mediums das Anlegen einer elektrischen Spannung an das Kettenmolekül umfasst.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verändern des physikalischen Parameters des Mediums ein Anlegen eines externen Feldes mit einer Spannungspulsquel le (17) umfasst, so dass es zu einer fixierten Orientierung der einzelnen Molekülabschnitte kommt, bei der ein Ladungs transport in dem Kettenmolekül nicht mehr stattfindet.

6. Vorrichtung zum Steuern eines elektrischen Stromes durch ein Medium, die umfasst:
ein Medium, dessen elektrische Leitfähigkeit von mindes tens einem veränderbaren physikalischen Parameter abhängt, und
zwei Kontaktelektroden zum Anlegen einer elektrischen Spannung, die an zwei unterschiedlichen Punkten mit dem Medium verbunden sind,
wobei
das Medium mindestens ein Kettenmolekül (1) mit mehreren Molekülabschnitten (2) umfasst,
eine Vorrichtung zum Verändern des mindestens einen physi kalischen Parameters des Mediums vorgesehen ist, durch den die interne Bewegung von benachbarten Molekülabschnitten (2) des Kettenmoleküls (1) verhindert wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Verändern des mindestens einen physi kalischen Parameters des Mediums eine Strahlungsquelle für e lektromagnetische Strahlung (7) einer vorgegebenen Wellenlänge umfasst, die von mindestens einem der mehreren Molekülab schnitte (2) absorbiert wird.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass
das Kettenmolekül (1) einen ersten Molekülabschnitt, der elektromagnetische Strahlung einer ersten vorgegebenen Wellen länge absorbiert, und einen zweiten Molekülabschnitt, der e lektromagnetische Strahlung einer zweiten Wellenlänge absor biert, umfasst und
die Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung (7) elektromagnetische Strahlung mit mindestens der ersten vorge gebenen und der zweiten vorgegebenen Wellenlänge abstrahlt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die zwei Kontaktelektroden ein Chromophor als Donator und einen Akzeptor umfassen und
die Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung (7) elektromagnetische Strahlung mit mindestens einer vorgegebenen Wellenlänge abstrahlt, die von dem Chromophor absorbiert wird, so dass von dem Chromophor eine Ladung freigesetzt wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Verändern des mindestens einen physi kalischen Parameters des Mediums eine Spannungspulsquelle zum Anlegen einer elektrischen Spannung an das Kettenmolekül um fasst.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
das Medium eine Schicht (13) aus Kettenmolekülen (1) um fasst und
die Vorrichtung zum Verändern des mindestens einen physi kalischen Parameters des Mediums eine Spannungspulsquelle (17) zum Erzeugen eines externen Feldes umfasst, so dass es zu ei ner fixierten Orientierung der einzelnen Molekülabschnitte (2) kommt, bei der ein Ladungstransport in dem Kettenmolekül (1) nicht mehr stattfindet.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kettenmolekül (1) ein Polypeptid ist und die Molekül abschnitte (2) Aminosäuren sind.