Naukowcy z Uniwersytetu Illinois wprowadzili innowacje w elektronice molekularnej, tworząc stabilne, trwałe cząsteczki o kontrolowanym przewodnictwie, stosując nową metodę syntezy, torując drogę dla bardziej niezawodnych zminiaturyzowanych urządzeń elektronicznych.
W miarę kurczenia się urządzeń elektronicznych ograniczenia rozmiaru fizycznego zaczynają hamować trend podwajania gęstości tranzystorów w mikrochipach krzemowych co dwa lata, zgodnie z przewidywaniami prawa Moore’a. Elektronika molekularna, która polega na wykorzystaniu pojedynczych cząsteczek jako podstawowych składników urządzeń elektronicznych, stanowi obiecującą drogę dalszej miniaturyzacji elektroniki małej skali.
Urządzenia wykorzystujące elektronikę molekularną wymagają precyzyjnej kontroli przepływu prądu elektrycznego. Jednakże dynamiczny charakter tych pojedynczych cząsteczek wpływa na wydajność urządzenia i odtwarzalność.
Naukowcy z Uniwersytetu Illinois Urbana-Champaign ogłosili unikalną strategię kontrolowania przewodnictwa molekularnego poprzez wykorzystanie cząsteczek o sztywnych szkieletach, takich jak cząsteczki typu drabinkowego, znane jako trwałe. Co więcej, zademonstrowali prostą, jednogarnkową metodę syntezy takich cząsteczek. Zasady te zastosowano następnie do syntezy cząsteczki przypominającej motyla, pokazując ogólność strategii kontrolowania przewodnictwa molekularnego.
Wyniki nowych badań, prowadzonych pod kierunkiem Charlesa Schroedera, profesora nauk o materiałach i inżynierii Jamesa Economy oraz profesora inżynierii chemicznej i biomolekularnej, wraz z doktorantem Xiaolinem Liu i doktorantem Hao Yangiem, zostały niedawno opublikowane w czasopiśmie. Chemia Przyrody.
Znaczenie sztywności molekularnej
„W dziedzinie elektroniki molekularnej należy wziąć pod uwagę elastyczność i ruch cząsteczek oraz ich wpływ na właściwości funkcjonalne” – mówi Schroeder. „I okazuje się, że odgrywa to znaczącą rolę we właściwościach elektronicznych cząsteczek. Aby pokonać to wyzwanie i osiągnąć stałą przewodność niezależnie od konformacji, naszym rozwiązaniem było przygotowanie cząsteczek o sztywnych szkieletach”.
Jednym z głównych wyzwań stojących przed elektroniką molekularną jest to, że wiele cząsteczek organicznych jest elastycznych i ma wiele konformacji molekularnych – układ atomów wynikający z rotacji wiązań – przy czym każda konformacja może potencjalnie skutkować inną przewodnością elektryczną. Liu wyjaśnia: „W przypadku cząsteczki o wielu konformacjach różnica w przewodności jest bardzo duża, czasami 1000 razy inna. Zdecydowaliśmy się użyć cząsteczek typu drabinkowego, które zachowują trwały kształt i wykazywały stabilny zestaw sztywnych konformacji, dzięki czemu możemy osiągnąć stabilną i solidną przewodność połączeń molekularnych.
Cząsteczki typu drabinkowego to klasa cząsteczek, które zawierają nieprzerwaną sekwencję pierścieni chemicznych z co najmniej dwoma wspólnymi atomami pomiędzy pierścieniami, co „blokuje” cząsteczkę w określonej konformacji. Taka struktura zapewnia trwałość kształtu i ogranicza ruch obrotowy cząsteczki, co również minimalizuje zmiany przewodnictwa.
Wyzwania i rozwiązania w elektronice molekularnej
Stała przewodność jest szczególnie ważna, gdy ostatecznym celem elektroniki molekularnej jest zastosowanie w funkcjonalnym urządzeniu. Oznacza to miliardy komponentów, które muszą mieć te same właściwości elektroniczne. „Zmiana przewodności to jeden z problemów, który uniemożliwia pomyślną komercjalizację molekularnych urządzeń elektronicznych. Bardzo trudno jest wyprodukować dużą liczbę niezbędnych identycznych komponentów i kontrolować przewodnictwo molekularne w połączeniach pojedynczych cząsteczek” – wyjaśnia Yang. „Jeśli uda nam się to precyzyjnie zrobić, może to pomóc w popchnięciu komercjalizacji i sprawić, że urządzenia elektroniczne będą bardzo małe”.
Aby kontrolować przewodnictwo molekularne cząsteczek trwałych w kształcie, zespół zastosował unikalną strategię syntezy drabinkowej w jednym naczyniu, w wyniku której wytworzono chemicznie zróżnicowane, naładowane cząsteczki drabinkowe. Tradycyjne metody syntezy wykorzystują kosztowne materiały wyjściowe i zwykle obejmują reakcje dwuskładnikowe, co ogranicza różnorodność produktów. Stosując strategię wieloskładnikową w jednym naczyniu, zwaną także syntezą modułową, materiały wyjściowe są znacznie prostsze i dostępne na rynku. „Możemy zastosować wiele różnych kombinacji tych materiałów wyjściowych i stworzyć bogatą różnorodność cząsteczek produktu odpowiednich dla elektroniki molekularnej” – mówi Liu.
Co więcej, Liu i Yang zastosowali zasady, których nauczyli się na podstawie cząsteczek typu drabinkowego, i wykazali szerokie zastosowanie trwałości kształtu, projektując, syntetyzując i charakteryzując właściwości elektroniczne cząsteczki przypominającej motyla. Cząsteczki te mają dwa „skrzydła” pierścieni chemicznych i podobnie jak cząsteczki drabiny, cząsteczki motyla mają zamkniętą strukturę szkieletu i ograniczoną rotację. Utoruje to drogę do projektowania innych materiałów funkcjonalnych, a ostatecznie do bardziej niezawodnych i wydajnych urządzeń.
Odniesienie: „Cząsteczki drabinkowe o trwałym kształcie wykazują niezależne od nanoprzerw przewodnictwo w złączach pojedynczych cząsteczek” autorstwa Xiaolin Liu, Hao Yang, Hassan Harb, Rajarshi Samajdar, Toby J. Woods, Oliver Lin, Qian Chen, Adolfo IB Romo, Joaquín Rodríguez- López, Rajeev S. Assary, Jeffrey S. Moore i Charles M. Schroeder, 26 sierpnia 2024 r., Chemia Przyrody.
DOI: 10.1038/s41557-024-01619-5
Badania te zostały sfinansowane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych.
