Forskere identificerer uventede drejninger, mens de udvikler nye polymerbaserede halvledere

En ny undersøgelse ledet af kemikere ved University of Illinois Urbana-Champaign bringer ny indsigt i udviklingen af ​​halvledermaterialer, der kan gøre ting, som deres traditionelle siliciummodparter ikke kan – udnytte kraften fra chiralitet, et spejlbillede, der ikke kan overlejres.

Chiralitet er en af ​​naturens strategier, der bruges til at bygge kompleksitet ind i strukturer, hvor DNA-dobbelthelixen måske er det mest anerkendte eksempel - to molekylekæder forbundet med en molekylær "rygrad" og snoet til højre.

I naturen tragter chirale molekyler, som proteiner, elektricitet meget effektivt ved selektivt at transportere elektroner i samme spin-retning.

Forskere har i årtier arbejdet på at efterligne naturens chiralitet i syntetiske molekyler. Et nyt studie, ledet af professor i kemisk og biomolekylær kemi Ying Diao, undersøger, hvor godt forskellige modifikationer af en ikke-chiral polymer kaldet DPP-T4 kan bruges til at danne chirale spiralformede strukturer i polymerbaserede halvledermaterialer.

Potentielle applikationer omfatter solceller, der fungerer som blade, computere, der bruger elektroners kvantetilstande til at beregne mere effektivt og nye billedbehandlingsteknikker, der fanger tredimensionel information frem for 2D, for at nævne nogle få.

Undersøgelsens resultater er rapporteret i tidsskriftet ACS Central Science .

"Vi startede med at tro, at små justeringer af strukturen af ​​DPP-T4-molekylet - opnået ved at tilføje eller ændre de atomer, der er forbundet til rygraden - ville ændre vridningen eller vridningen af ​​strukturen og inducere chiralitet," sagde Diao. "Vi opdagede dog hurtigt, at tingene ikke var så enkle."

Ved hjælp af røntgenspredning og imagination fandt holdet ud af, at deres "lette justeringer" forårsagede store ændringer i materialets faser.

"Det, vi observerede, er en slags Goldilocks-effekt," sagde Diao. "Normalt samles molekylerne som en snoet ledning, men pludselig, når vi vrider molekylet til en kritisk vridning, begyndte de at samle sig til nye mesofaser i form af flade plader eller plader. Ved at teste for at se, hvor godt disse strukturer kunne bøje sig polariseret lys - en test for chiralitet - vi blev overraskede over at opdage, at arkene også kan sno sig til sammenhængende chirale strukturer."

Holdets resultater belyser det faktum, at ikke alle polymerer vil opføre sig ens, når de justeres i et forsøg på at efterligne den effektive elektrontransport i chirale strukturer. Undersøgelsen rapporterer, at det er afgørende ikke at overse de komplekse mesofasestrukturer, der er dannet for at opdage ukendte faser, der kan føre til optiske, elektroniske og mekaniske egenskaber, som man ikke havde forestillet sig før.

Flere oplysninger: Kyung Sun Park et al., subtile molekylære ændringer modulerer i vid udstrækning chirale spiralformede samlinger af Achiral Conjugated Polymers ved Tuning Solution-State Aggregation, ACS Central Science (2023). DOI:10.1021/acscentsci.3c00775

Journaloplysninger: ACS Central Science

Leveret af University of Illinois at Urbana-Champaign