Plottwist:Udretning af enkelt-molekyle ledere forbedrer deres ydeevne

Et team på Osaka University har skabt enkelt-molekyle nanotråde, komplet med et isoleringslag, op til 10 nanometer i længden. Da de målte de elektriske egenskaber af disse nanotråde, forskerne fandt ud af, at det at tvinge de båndlignende kæder til at være flade forbedrede deres ledningsevne betydeligt sammenlignet med en snoet konformation. Resultaterne kan muliggøre en ny generation af billige højteknologiske enheder, herunder smartphoneskærme og solcelleanlæg.

Kulstofbaserede polymerer, som er lange molekylære kæder lavet af gentagne enheder, kan findes overalt, fra gummiet i sålerne på dine sko til de proteiner, der udgør din krop. Vi plejede at tro, at disse molekyler ikke kunne lede elektricitet, men det hele ændrede sig med opdagelsen af ​​ledende polymerer. Disse er en lille undergruppe af kulstofbaserede molekyler, der kan fungere som små ledninger på grund af deres skiftende enkelt- og dobbeltkemiske bindinger, også kaldet konjugerede bindinger. Da kulstofbaserede ledere er meget nemmere og billigere at fremstille og tilpasse end konventionel elektronik, de har set hurtig adoption i OLED-tv, iPhone skærme, og solpaneler, og samtidig reducere deres omkostninger drastisk.

Nu, forskere ved Osaka University har syntetiseret kæder af oligothiophen af ​​forskellig længde, med op til 24 gentagelsesenheder. Det betyder, at enkelte nanotråde kan være op til 10 nanometer lange. Isolering af ledningerne var nødvendig for at undgå interwire strømme, så den iboende ledningsevne af et enkelt molekyle kunne måles nøjagtigt. På grundlag af kvantemekanikkens regler, elektroner i molekyler opfører sig mere som spredte bølger end lokaliserede partikler. De overlappende bindinger i oligothiophen gør det muligt for elektroner at blive helt spredt ud over polymerrygraden, så de nemt kan transversere molekylet for at skabe en elektrisk strøm.

Denne ladningstransport kan forekomme på to vidt forskellige måder. "Over korte afstande, elektroner er afhængige af deres bølgelignende natur til at 'tunnelere' direkte gennem barrierer, men over lange afstande, de hopper fra sted til sted for at nå deres destination, ", forklarede førsteforfatter Dr. Yutaka Ie. Holdet ved Osaka University fandt ud af, at ændring af oligothiophenkæden fra snoet til flad førte til meget større overlapning af oligothiophens konjugerede rygrad, hvilket igen betød en større samlet ledningsevne. Som resultat, overgangen fra tunnel- til hoppeledning fandt sted med flade kæder med kortere kædelængder, sammenlignet med dem med den snoede konformation.

Forskerne mener, at dette arbejde kan åbne en helt ny verden af ​​enheder. "Denne undersøgelse viser, at vores isolerede nanotråde har potentialet til at blive brugt i ny "enkeltmolekyle" elektronik, " sagde hovedforfatter Dr. Yoshio Aso. Værket er udgivet i Journal of Physical Chemistry Letters som "Højt plane og fuldstændigt isolerede oligothiophener:Effekter af π-konjugation på hoppeladningstransport."