Nyt selvsamlet monolag er modstandsdygtigt over for luft

Organiske selvsamlede monolag (SAM'er) har eksisteret i over fyrre år. Den mest udbredte form er baseret på thioler, bundet til en metaloverflade. Imidlertid, selvom thiol SAM'erne er meget alsidige, de er også kemisk ustabile. Eksponering af disse monolag for luft vil føre til oxidation og nedbrydning inden for en enkelt dag. Forskere fra University of Groningen har nu skabt SAM'er ved hjælp af buckyballs funktionaliserede med 'haler' af ethylenglycol. Disse molekyler producerer selvsamlede monolag, der har alle egenskaberne af thiol SAM'er, men forbliver kemisk uændrede i flere uger, når de udsættes for luft. Denne robusthed gør dem meget nemmere at bruge i forskning og i enheder. En artikel om disse nye SAM'er blev offentliggjort i Naturmaterialer den 30. januar.

Selvsamlede monolag er dynamiske strukturer, forklarer University of Groningen lektor i organisk materialekemi og udstyr Ryan Chiechi:"Disse monolag reparerer sig selv, og molekylerne vil hele tiden finde den mest effektive pakning. Desuden, alle processer er reversible, og det er muligt at ændre deres sammensætning." Dette adskiller SAM'er fra andre monolag, der bruges til at funktionalisere overflader. "Disse er ofte meget stabile, men de samler sig ikke selv og mangler SAM'ernes dynamik."

Kvantetunnelering

SAM'er baseret på binding af thioler (svovlholdige grupper) til metal er bredt undersøgt og brugt. Anvendelser af SAM'er spænder fra kontrol af befugtning af eller vedhæftning til overflader, skabe kemisk resistens i litografi, til sensorproduktion eller nanofabrikation. Monolagene kan også bruges til at producere molekylær elektronik. Chiechi anfører, "Elektrisk strøm vil passere gennem sådan et monolag ved kvantetunnelering. Og små modifikationer af det molekylære lag kan ændre tunnelegenskaberne. Gennem sådan kemisk skræddersyning, det er muligt at skabe nye typer elektronik."

Imidlertid, de mest udbredte thiol-baserede SAM'er er følsomme over for oxidation, når de udsættes for luft. Uden beskyttelse, de holder ikke en eneste dag. "Det betyder, at du har brug for alle former for udstyr for at holde luften ude, når du arbejder med disse SAM'er til molekylær elektronik, " forklarer Chiechi. "Det gør det også svært at bruge dem i en biologisk sammenhæng."

Funktionaliserede buckyballs

Det er her, de nye buckyball-baserede SAM'er kommer ind. I en fælles indsats, forskere fra Stratingh Institute for Chemistry og Zernike Institute for Advanced Materials ved University of Groningen har opdaget og karakteriseret egenskaberne af glycol-ether funktionaliserede fullerener. Buckyballerne klæber til metaloverflader endnu stærkere end thioler. Glykol-etherhalerne er polære og i organiske opløsningsmidler, dette inducerer dannelsen af ​​et dobbeltlag. "Du sætter simpelthen metallet i en opløsning af disse funktionaliserede buckyballs, og dobbeltlaget vil dannes gennem selvsamling, " siger Chiechi. Desuden, SAM'er fremstillet på denne måde er meget modstandsdygtige over for oxidation:når de udsættes for luft, de forbliver intakte i mindst 30 dage.

"Our results strongly suggest that the tails of the molecules are intertwined. This results in a stable and very dynamic structure where molecules are free to move, which is typical for a SAM, " says Chiechi. The outer layer can be replaced by adding other functionalized groups. Chiechi and his colleagues added spiropyrans (molecules that will change shape when exposed to UV light) connected to a glycol-ether tail. By placing an electrode on the outer layer, tunneling through the SAM was measured. The scientists showed that changing the shape of the spiropyran moiety with light also changed the conductance by several orders of magnitude.

Molecular electronics

There are other alternatives for thiol-based SAMs but they all have limitations. "We believe that our SAMs have all the properties of thiol-based SAMs, with resistance to degradation by air as a large bonus, " concludes Chiechi. "Furthermore, we have shown that our system can be used to create molecular electronics." And it also appears to be a very useful platform for studying the behavior of SAMs. "You can do this on your lab bench without any need for protection." Chiechi thinks that his system might be useful for studying the behavior of bilayers, including the lipid bilayers that form cell membranes.

The ability to change the composition of the SAMs opens up interesting applications in molecular electronics. Chiechi:"This might be used to create a topological computer architecture, for neuromorphic computing." Changes in the composition of the SAM could produce a memristor and possibly a system for stochastic computing, which uses the probabilities of 1s and 0s to represent numbers in a bitstream. "This could be represented by the fraction of one type of molecule in the SAM." Before this can become a reality, imidlertid, more work will have to be done, for eksempel, to understand why the glycol-ether phase is such an efficient tunneling medium.