Nanoenhed, bygge dig selv

Mens vi fortsætter med at skrumpe elektroniske komponenter, top-down fremstillingsmetoder begynder at nærme sig en fysisk grænse på nanoskala. I stedet for at fortsætte med at chippe væk ved denne grænse, en løsning af interesse involverer at bruge bottom-up selvsamlingen af ​​molekylære byggesten til at bygge nanoskalaenheder.

Succesfuld selvsamling er en kunstfærdigt koreograferet dans, hvor de tiltrækkende og frastødende kræfter i molekyler, mellem hvert molekyle og dets naboer, og mellem molekyler og overfladen, der understøtter dem, skal alle tages i betragtning. For bedre at forstå selvsamlingsprocessen, forskere ved det tekniske universitet i München har karakteriseret bidragene fra alle interaktionskomponenter, såsom kovalent binding og van der Waals interaktioner mellem molekyler og mellem molekyler og en overflade.

"I et ideelt tilfælde, den mindst mulige enhed har størrelsen af ​​et enkelt atom eller molekyle, " sagde Katharina Diller, der arbejdede som postdoktor i gruppen af ​​Karsten Reuter ved det tekniske universitet i München. Reuter og hans kolleger præsenterer deres arbejde i denne uge i Journal of Chemical Physics .

Et sådant eksempel er en enkelt-porphyrin switch, som kun optager et overfladeareal på en kvadratnanometer. Porfinmolekylet, som var genstand for denne undersøgelse, er endnu mindre end dette. Porphyriner er en gruppe af ringmærkede kemiske forbindelser, som især omfatter hæm - ansvarlig for transport af ilt og kuldioxid i blodbanen - og klorofyl. I syntetisk afledte applikationer, porphyriner studeres for deres potentielle anvendelser som sensorer, lysfølsomme farvestoffer i organiske solceller, og molekylære magneter.

Forskerne fra TU München vurderede interaktionerne mellem porphyrinmolekylet 2H-porfin ved at bruge densitetsfunktionelle teori, en kvantemekanisk beregningsmodelleringsmetode, der bruges til at beskrive molekylers og materialers elektroniske egenskaber. Deres simuleringer blev udført på den højtydende supercomputer SuperMUC ved Leibniz-Rechenzentrum i Garching.

De metalliske substrater forskerne valgte til porphyrinmolekylerne at samle på, de tætpakkede enkeltkrystaloverflader af kobber og sølv, bruges i vid udstrækning som substrater inden for overfladevidenskab. Dette skyldes overfladernes tætpakkede natur, som tillader molekylerne at udvise et jævnt adsorptionsmiljø. Derudover kobber og sølv reagerer hver især forskelligt med porhyriner - molekylet adsorberer stærkere på kobber, hvorimod sølv gør et bedre stykke arbejde med at holde molekylets elektroniske struktur intakt - hvilket gør det muligt for forskerne at overvåge en række konkurrerende effekter til fremtidige anvendelser.

I deres simulering, porphyrinmolekyler blev placeret på en kobber- eller sølvplade, som blev gentaget med jævne mellemrum for at simulere en udvidet overflade. Efter at have fundet den optimale geometri, hvori molekylerne vil adsorbere på overfladen, forskerne ændrede størrelsen på metalpladen for at øge eller mindske afstanden mellem molekyler, simulerer således forskellige molekylære dækninger. Den beregningsmæssige opsætning gav dem en kontakt til at slå energibidragene fra nabomolekyler til og fra, for at observere samspillet mellem de enkelte interaktioner.

Diller og Reuter, sammen med kollegerne Reinhard Maurer og Moritz Müller, hvem er første forfatter på avisen, fandt, at de svage langdistance-van der Waals-interaktioner gav det største bidrag til molekyle-overflade-interaktionen, og viste, at de ofte anvendte metoder til at kvantificere de elektroniske afgifter i systemet skal bruges med forsigtighed. Overraskende nok, mens interaktioner direkte mellem molekyler er ubetydelige, forskeren fandt indikationer for overflademedierede molekyle-molekyle-interaktioner ved højere molekylære dækninger.

"Analysen af ​​den elektroniske struktur og de individuelle interaktionskomponenter giver os mulighed for bedre at forstå selvsamlingen af ​​porfin adsorberet på kobber og sølv, og muliggør desuden forudsigelser for mere komplekse porfyrinanaloger, " sagde Diller. "Disse konklusioner, imidlertid, komme uden endnu at overveje virkningerne af atombevægelse ved endelig temperatur, som vi ikke studerede i dette arbejde."