Håndstrikkede molekyler

Molekyler dannes normalt i reaktionsbeholdere eller laboratoriekolber. Det er nu lykkedes et Empa-forskerhold at producere molekyler mellem to mikroskopisk små, bevægelige guldspidser – i en vis forstand som et "håndstrikket" unikt eksemplar. Molekylernes egenskaber kan overvåges i realtid, mens de produceres. Forskningsresultaterne er netop offentliggjort i Naturkommunikation .

Fremstillingen af ​​elektroniske komponenter følger normalt en top-down vej i specialiserede fysiske laboratorier. Brug af specielle udskæringsværktøjer i rene rum, videnskabsmænd er i stand til at fremstille strukturer, der kun når nogle få nanometer. Imidlertid, Atompræcision er fortsat meget udfordrende og kræver normalt specielle mikroskoper såsom et Atomic Force Microscope (AFM) eller et Scanning Tunneling Microscope (STM). Kemikere på den anden side opnår rutinemæssigt en tour de force:De kan syntetisere et stort antal molekyler, der alle er nøjagtigt identiske. Men at syntetisere et enkelt molekyle med atomær præcision og overvåge denne samlingsproces er fortsat en formidabel udfordring.

Et forskerhold fra Empa, det er nu lykkedes universitetet i Basel og universitetet i Oviedo at gøre netop det:Forskerne syntetiserede kædeformede molekyler mellem to mikroskopisk små guldspidser. Hvert molekyle er skabt individuelt. Egenskaberne af det resulterende molekyle kan overvåges og dokumenteres i realtid under syntese.

Mikrofabrikation mellem guldspidser

Anton Vladyka, Jan Overbeck og Mickael Perrin arbejder på Empas "Transport at Nanoscale Interfaces" laboratorium, ledet af Michel Calame. Til deres eksperimenter, de brugte en teknik kaldet MCBJ (mechanical controlable break junction). En guldbro, der kun er få nanometer tynd, strækkes langsomt i en reagensopløsning, indtil den knækker. Individuelle molekyler kan binde sig til brudspidserne af nanobroen og gennemgå kemiske reaktioner.

Empa-forskere dyppede guldspidserne i en opløsning af 1, 4-diisocyanobenzen (DICB), et molekyle med stærke elektriske dipoler i begge ender. Disse højt ladede ender binder let med guldatomer. Resultatet:Når broen rives fra hinanden, et DICB-molekyle løsner individuelle guldatomer fra kontakten og bygger dermed en molekylær kæde. Hvert DICB -molekyle efterfølges af et guldatom, efterfulgt af et andet DICB-molekyle, et guldatom, og så videre.

Bemærkelsesværdigt, den molekylære samling var ikke afhængig af nogen tilfældigheder, men fungerede meget reproducerbart - selv ved stuetemperatur. Forskerne åbnede og lukkede guldbroen gentagne gange for bedre at forstå processen. I 99 ud af 100 forsøg blev identiske molekylære kæder af guld og DICB dannet. Ved at overvåge den elektriske ledningsevne mellem guldkontakterne var forskerne endda i stand til at bestemme længden af ​​kæden. Op til tre kædeled kan detekteres. Hvis der dannes fire eller flere kædeled, ledningsevnen er for lav, og molekylet forbliver usynligt under dette eksperiment.

Denne nye metode giver forskere mulighed for at producere elektrisk ledende molekyler som unikke prøver og at karakterisere dem ved hjælp af en række forskellige metoder. Dette åbner helt nye muligheder for at ændre individuelle molekylers elektriske egenskaber direkte ("in situ") og justere dem med atomær præcision. Dette anses for at være et afgørende skridt i retning af yderligere miniaturisering af elektroniske komponenter. På samme tid, det giver dyb indsigt i transportprocesser på atomniveau. "For at opdage nye egenskaber i molekylære samlinger, vi skal først være i stand til at bygge disse molekylære strukturer på en reproducerbar måde, " siger Michel Calame. "Det er præcis, hvad vi har opnået nu."