2025-06-032025-06-03https://hdl.handle.net/11420/55773Unimolekulare Maschinen auf einer Oberfläche können externe Reize in Bewegung konvertieren. In den letzten Jahren wurden Rastertunnelmikroskop-induzierte Rotationen, laterale Bewegungen oder Konformationsänderungen von Molekülen publiziert Der nächste Schritt, d. h. die Entwicklung molekularer mechanischer Maschinen, die Arbeit erzeugen oder Energie speichern können, erfordert jedoch, Bewegungen zu kontrollieren. Dazu braucht es detailliertes Verständnis der zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen, welches bislang fehlt. Durch thermische Anregung kann dem Grundzustand eines Moleküls Energie zugeführt werden, doch nach dem mikroskopischen Reversibilitätsprinzip ist eine unidirektionale Rotation in diesem Fall unmöglich. Andererseits interagieren Tunnelelektronen bei jedem Elektronentransfer mit elektronisch angeregten Zuständen und können so eine gerichtete, d.h. kontrollierte Bewegung ermöglichen. Beide Energiequellen sind unter der Spitze eines Rastertunnelmikroskops verfügbar. In diesem Projekt werden wir Moleküldesign und -synthese mit Rastertunnelmikroskop-Experimenten (Bildgebung, Spektroskopie und Manipulation) bei variablen Temperaturen kombinieren, um molekulare Maschinen auf einer Au(111)-Oberfläche zu untersuchen und die physikalischen Grundlagen kontrollierter Bewegungen aufzuklären. Auf Grundlage der etablierten Zusammenarbeit der beiden Gruppen werden neue molekulare Maschinen synthetisiert, die eine Ankergruppe zur stabilen Oberflächenanbindung sowie einen räumlich von der Oberfläche entkoppelten schaltenden oder rotierenden Teil enthalten. Als Anker werden N-heterozyklische Carbene verwendet und mit molekularen Schaltern sowie Rotoren mit unterschiedlich hohen Rotationsbarrieren kombiniert. Die vertikal verankerten molekularen Maschinen werden mit Rastertunnelmikroskopie untersucht. Insbesondere werden wir die thermische Erwärmung der Oberfläche mit der Anregung durch Tunnelelektronen kombinieren. Letzteres erlaubt, die elektronisch angeregten Zustände des Moleküls einzubeziehen, was im klassischen Fall nicht möglich ist. Die Konformationsänderung der molekularen Schalter, d.h. das Schalten zwischen verschiedenen Zuständen, wird durch inelastische Tunnelelektronen und elektrische Felder induziert. Die molekularen Rotoren werden bei einer festen Temperatur (von 5 K bis RT) gehalten, um zu untersuchen, wie thermische Energie auf molekulare mechanische Freiheitsgrade übertragen werden kann. Die Aufklärung des Zusammenspiels thermischer Energie und Elektronentunnelanregung bei der Bewegungsinduktion wird das Verständnis chemischer Reaktionen und der Mechanik auf Oberflächen grundlegend verbessern. Dies wird einzigartige Informationen für die Konstruktion von molekularen Maschinen liefern, die thermische Energie speichern oder Arbeit erzeugen können. Im Hinblick auf Quanten-Engineering eröffnet dies faszinierende Perspektiven zu mono-thermischen Motoren.Single molecule machines on a surface can convert external stimuli into motion. In the last years, several examples of rotations, translations, or conformational changes of molecules on a surface under the tip of a scanning tunneling microscope have been reported. However, the next step, i.e., developing mechanical molecular devices able to produce work or store energy, requires controlling the movement. For this, a detailed understanding of the underlying physical mechanisms is needed, which is still lacking. Thermal excitation can provide energy to the ground state of a molecule, yet according to the microscopic reversibility principle, unidirectional rotation is impossible in this case. On the other hand, tunneling electrons interact with the electronic excited states of the molecule on each electron transfer event and can allow directed, i.e., controlled motion. Both energy sources are available under the tip of a scanning tunneling microscope. In this project, we will combine molecular design and synthesis with scanning tunneling microscope experiments (imaging, spectroscopy, and manipulation) at variable temperatures to investigate molecular machines on a Au(111) surface and elucidate the physical mechanisms inducing controlled movements and conformational changes. Based on the established collaboration between the two participating groups, we will start with the synthesis of specifically designed vertical rotors and switches. These molecular machines contain two structural elements, i.e., an anchoring group for stable binding to the surface, and a switching or rotating part spatially decoupled from the surface. For the anchoring, we will employ N-heterocyclic carbenes, and combine them with molecular switches and rotors designed for having different energetic barrier heights for rotation. The vertically anchored molecular machines will then be tested using scanning tunneling microscopy. Specifically, we will combine surface thermal heating with tunneling electron excitation. The latter allows involving the electronic excited states of the molecule, a possibility which is absent in a classical case. The conformational changes of the switches, i.e., the toggeling between different states, will be induced by inelastic tunneling electrons and electric fields. The molecular rotors will be kept at a fixed temperature (varying from 5 K to RT) to investigate how thermal energy can be transferred to molecular mechanical degrees of freedom. Determining how the interplay between thermal energy and electron tunneling excitation contributes to movement will fundamentally advance the understanding of chemical reactions and mechanics on surfaces and provide unique information for the design of innovative molecular machines able to store thermal energy or produce work. In terms of quantum engineering, this opens fascinating perspectives in the direction of mono-thermal motors.