Selvmonterede nanostrukturer med atompræcis struktur og skræddersyede elektroniske egenskaber

Bioorganismer er de mest komplekse maskiner, vi kender, og er i stand til at opnå krævende funktioner med stor effektivitet.

Et fælles tema i disse biomaskiner er, at alt vigtigt sker på niveau med enkelte molekyler-det vil sige, på nanoskalaen.

Disse biosystemers funktionalitet er afhængig af selvmontering-det vil sige molekyler, der interagerer præcist og selektivt med hinanden for at danne veldefinerede strukturer. Et velkendt eksempel på dette fænomen er dobbelt-helix-strukturen af ​​DNA.

Nu, inspireret af selvsamlende biosystemer, en international gruppe af forskere, herunder FLEET -fysikere, har skabt en ny, kulstofbaseret, selvsamlet nanomateriale, som kunne være nøglen til nye fotovoltaiske og katalytiske teknologier.

Ved hjælp af selvmontering, forskerne var i stand til at konstruere, med atomskala præcision, en ny 1-D nanostruktur sammensat af organiske (kulstofbaserede) molekyler og jernatomer.

Resultaterne er beskrevet i to undersøgelser, der blev offentliggjort i denne måned i Naturkommunikation og ACS Nano .

Atomisk præcision via selvmontering:en vej til funktionalitet

"Fremstilling af nanomaterialer ved at kontrollere placeringen af ​​enkelte atomer og molekyler et ad gangen er meget kedeligt, hvis ikke umuligt, siger hovedforsker Dr. Agustin Schiffrin, universitetslektor ved Monash University og FLEET -chefforsker.

"I stedet, vi kan skabe atompræcise strukturer via selvsamling, ved at vælge de rigtige molekyler, atomer og forberedelsesbetingelser. "

"Dette har den fordel, at der ikke er behov for ekstern intervention, "forklarer Dr. Schiffrin.

Sådan evne til selvsamling kommer fra at bruge økologisk (det vil sige kulstofbaserede) molekyler som opbygning af nano-enheder.

Formen, størrelse og interagerende funktionelle grupper af disse organiske molekyler kan indstilles på et næsten uendeligt antal måder ved hjælp af organisk syntetisk kemi.

Kontrol af interaktioner mellem molekyler fører til skabelse af det ønskede, veldefineret nanostruktur, på samme måde som interaktioner mellem nukleinsyrer i DNA giver anledning til dobbelt-helix.

"Vi kan således bygge materialer med en meget præcis, konstrueret struktur, hvilket resulterer i, at materialet har de ønskede elektroniske egenskaber, "siger medforfatter Marina Castelli, en ph.d. studerende på Monash University's School of Physics and Astronomy.

"Ligesom bioorganismers funktioner afhænger af nanoskala-interaktioner, de nye og materialers fysiske og elektroniske egenskaber kommer fra deres struktur på et enkeltmolekylært niveau, "forklarer Monash Research Fellow Dr. Cornelius Krull.

Bottom-up slår top-down

Konventionelle metoder til materiale nanofabrikation, såsom litografi, stole på 'top-down' tilgange, med materialer mønstret ved fjernelse af stof. Sådanne metoder er i bedste fald begrænset til opløsninger i størrelsesordenen 1 nanometer.

I stedet, 'bottom-up' metoder kan give mulighed for sub-nanometer mønsteropløsning, med potentiale for et højere niveau af kontrol og effektivitet af elektroniske egenskaber.

I øvrigt, anvendelse af 'bottom-up' syntesetilgange med en overflade som et substrat muliggør nanostrukturer med egenskaber, der ikke kan opnås via konventionelle syntetiske metoder.

Nanomaterialer baseret på metal-organiske molekylære komplekser giver mulighed for en lang række nyttige funktionaliteter, både teknologisk og biologisk, fra katalyse til fotovoltaik til gasmåling og lagring.

I disse systemer, atomskala morfologi og elektronisk konfiguration af metal-organisk koordinationsmotiv spiller en afgørende rolle, dikterer deres overordnede elektroniske og kemiske egenskaber.

De to undersøgelser

Papiret "Design af optoelektroniske egenskaber ved syntese på overfladen:dannelse og elektronisk struktur af et makromolekylært kompleks af jernterpyridin, "udgivet i ACS Nano , beskriver energi og rumlig afhængighed af de elektroniske tilstande (besat og ubeboet) af 1-D jernbaseret metal-organisk nanostruktur, i et energiområde nær Fermi -niveauet, som kan være nyttig til optoelektroniske applikationer såsom fotovoltaik, fotokatalyse og lysemitterende apparater.

Studerer struktur og kemi på enkeltatom-niveau Papiret, "Jernbaserede trinukleære metal-organiske nanostrukturer på en overflade med lokal ladningsakkumulering, "udgivet i Naturkommunikation , beskriver i atomskala den intramolekylære struktur og ladningsfordeling af det ikke-private jernmolekyle-koordineringsmotiv, nyttig til katalyseapplikationer.