Fugtighed slår molekylær diode fra og til

En international gruppe af forskere fra Leiden, Delft, Bern og Chuo har udviklet den første omskiftelige molekylære diode, som kan tændes og slukkes gennem fugt. Den fungerer også som en fugtighedssensor på nanoskala. Undersøgelsen er offentliggjort i Natur nanoteknologi .

I 2016 Feringa, Stoddard og Sauvage modtog Nobelprisen for at udvikle molekylære motorer. Deres arbejde er et spektakulært eksempel på et bredere forskningsområde, hvor forskere studerer molekyler med en kemisk programmeret funktion. Udover motorer, de arbejder også på molekylære dioder, switche og transistorer, alle med en typisk længde på en nanometer, og repræsenterer dermed den ultimative miniaturisering. Leiden-fysikere Sense Jan van der Molen og Huseyin Atesci, sammen med Delft, Bern og Chuo (Japan), har nu demonstreret den første omskiftelige molekylære diode.

Forskerne opdagede, at den elektriske ledningsevne af molekylet 2-Ru-N afhænger af fugtigheden. Under tørre forhold, den samme mængde strøm løber gennem molekylet under positiv eller negativ spænding. Dette ændrer sig dramatisk i et fugtigt miljø. I det tilfælde, kun en positiv spænding inducerer en strøm. Forskerne har skabt et molekylært kredsløb, der fungerer som en unik kombination af en kontakt og en diode - en omskiftelig molekylær diode, der tændes og slukkes med fugt. Molekylet fungerer også som en fugtighedssensor baseret på strukturen af ​​et specifikt molekyle.

Den lille diode virker ved hjælp af en asymmetri forårsaget af vandmolekyler. Ved omkring 60 procent luftfugtighed, de klumper sig sammen i højre side af det molekylære lag (se figur f). Dette forårsager en ubalance mellem energiniveauerne på begge sider (h), hvilket stærkt begrænser strømmen af ​​elektroner. En positiv spænding over molekylet løfter energiniveauet på højre side (i), så niveauernes justering genoprettes, og strømmen flyder igen. En negativ spænding på den anden side skaber en endnu større asymmetri (j) og fører til en meget lav strøm. Under tørre forhold, molekylets symmetri går ikke i stykker, og diodeadfærden forsvinder.

Princip

"Hele princippet er baseret på symmetri, så det gælder ikke udelukkende vand, " siger Van der Molen. "I teorien fungerer dette koncept også med alkohol eller giftige gasser, for eksempel." Det betyder, at opdagelsen ikke kun vedrører måling af fugt i luften. Hvis forskerne i fremtiden finder et passende molekyle bestående af to symmetriske halvdele, ligesom 2-Ru-N, "princippet muliggør også andre sensorer, som en molekylær alkoholtest eller kuliltedetektor.