Demonstration af et enkelt molekyle piezoelektrisk effekt

Forskere fra Institut for Organisk Kemi og Biokemi i CAS (IOCB Prag) og institutionelle samarbejdspartnere har for første gang demonstreret en enkelt-molekyle piezoelektrisk effekt. Studiet, offentliggjort i Journal of the American Chemical Society , repræsenterer et gennembrud i forståelsen af ​​individuelle molekylers elektromekaniske adfærd og giver et nyt koncept for design af molekylære motorer, sensorer og el-generatorer på nanoskala.

Den piezoelektriske effekt opstår i nogle materialer, hvori de mekaniske og elektriske egenskaber er koblet sammen. Enten kan det elektriske felt genereres, hvis der påføres en mekanisk belastning (direkte piezoelektrisk effekt) eller, omvendt, den mekaniske deformation kan opstå, hvis det elektriske felt påføres (omvendt piezoelektrisk effekt).

Disse effekter har adskillige praktiske anvendelser i bilindustrien, smartphone, computer, medicinske og militære industrier. Den piezoelektriske effekt anvendes i smartphones, mikrofoner, lightere, airbag systemer, sonarer og scanningsmikroskoper. Imidlertid, den enkelt-molekyle piezoelektriske effekt, som er afgørende for fremtidige elektromekaniske molekylære enheder, har indtil videre været uhåndgribelig.

"I et tæt samarbejde med fysikere, det blev bevist for første gang, at en stærk omvendt piezoelektrisk effekt kan observeres ved individuelle molekyler af heptahelicen-derivatet, som er et skruelignende kulstofmolekyle, der ligner en fjeder, " sagde Ivo Starý, lederen af ​​gruppen af ​​kemikere ved IOCB Prag, der forbereder forbindelsen.

Effekten blev eksperimentelt demonstreret af gruppen af ​​fysikere ved IP CAS ved individuelle molekyler på en sølvoverflade ved hjælp af scanning probe mikroskopi. Gruppelederen Pavel Jelínek siger, "Størrelsen af ​​den piezoelektriske konstant beregnet ud fra de eksperimentelle data er betydeligt højere end den af ​​kendte piezoelektriske polymerer og er sammenlignelig med størrelserne målt ved nogle uorganiske materialer såsom zinkoxid. Desuden, vi forklarede oprindelsen af ​​den piezoelektriske effekt med et enkelt molekyle ved at bruge kvantemekaniske beregninger."

Hvordan virker den omvendte piezoelektriske effekt på nanoskala? Det skruelignende molekyle udstyret med en indre dipol strækker eller klemmer sig selv afhængigt af styrken og polariteten af ​​det ydre elektriske felt. Det opstår ved at påføre en spændingsforspænding mellem sølvpuden og den atomisk skarpe spids af scanningsmikroskopet, der er placeret over det undersøgte molekyle. Da ændringen i et molekylehøjde kan overvåges med en ultimativ nøjagtighed, det er muligt at se en molekyle deformation induceret af det elektriske felt. En sådan kobling af den mekaniske bevægelse af et molekyle og ændringen i det elektriske felt, hvilket er gensidigt i teorien, repræsenterer et indtog i en verden af ​​molekyler, der udfører mekanisk arbejde, samt molekylære nanogeneratorer af elektrisk energi.