Udnyttelse af socialt fjerne molekylære interaktioner til fremtidig databehandling

Kunne langdistanceinteraktioner mellem individuelle molekyler skabe en ny måde at beregne på?

Interaktioner mellem individuelle molekyler på en metaloverflade strækker sig over overraskende store afstande - op til flere nanometer.

En ny undersøgelse, netop offentliggjort, af den skiftende form af elektroniske tilstande induceret af disse interaktioner, har potentiel fremtidig anvendelse i brugen af ​​molekyler som individuelt adresserbare enheder.

For eksempel, i en fremtidig computer baseret på denne teknologi, tilstanden af ​​hvert enkelt molekyle kunne kontrolleres, spejling af binær drift af transistorer i strømberegning.

Måling af socialt fjerne molekylære interaktioner på en metaloverflade

Monash-University of Melbourne-samarbejdet studerede de elektroniske egenskaber af magnesiumphthalocyanin (MgPc) drysset på en metaloverflade.

MgPc ligner klorofylet, der er ansvarlig for fotosyntesen.

Ved forsigtig, atomisk præcise scanning probe mikroskopi målinger, forskerne viste, at de kvantemekaniske egenskaber af elektroner i molekylerne - nemlig deres energi og rumlige fordeling - er væsentligt påvirket af tilstedeværelsen af ​​nabomolekyler.

Denne effekt - hvor den underliggende metaloverflade spiller en nøglerolle - observeres for intermolekylære adskillelsesafstande på flere nanometer, betydeligt større end forventet for denne form for intermolekylær interaktion.

Disse indsigter forventes at informere og drive fremskridt i udviklingen af ​​elektroniske og optoelektroniske solid state-teknologier bygget af molekyler, 2-D materialer og hybride grænseflader.

Direkte observation af ændringer i molekylær orbitalsymmetri og energi

Phthalocyanin (Pc) 'firekløver'-liganden, når det er dekoreret med et magnesium (Mg) atom i midten, er en del af klorofylpigmentet, der er ansvarlig for fotosyntese i bioorganismer.

Metal-phthalocyaniner er eksemplariske for tunerbarheden af ​​deres elektroniske egenskaber ved at bytte det centrale metalatom og perifere funktionelle grupper, og deres evne til selv at samle i højt ordnede enkeltlag og nanostrukturer.

Avancerede scanning probe mikroskopi målinger afslørede en overraskende lang rækkevidde interaktion mellem MgPc molekyler adsorberet på en metaloverflade.

Kvantitativ analyse af de eksperimentelle resultater og teoretisk modellering viste, at denne interaktion skyldtes blanding mellem de kvantemekaniske orbitaler - som bestemmer den rumlige fordeling af elektroner i molekylet - af nabomolekyler. Denne molekylære orbitale blanding fører til betydelige ændringer i elektronenergier og elektronfordelingssymmetrier.

Den intermolekylære interaktions lange rækkevidde er resultatet af adsorptionen af ​​molekylet på metaloverfladen, som "spreder" fordelingen af ​​molekylets elektroner.

"Vi var nødt til at skubbe vores scanningsprobemikroskop til nye grænser med hensyn til rumlig opløsning og kompleksiteten af ​​dataindsamling og analyse, " siger hovedforfatter og FLEET-medlem Dr. Marina Castelli.

"Det var et stort skift i tankegangen at kvantificere den intermolekylære interaktion ud fra synspunktet om symmetrier af rumlig fordeling af elektroner, i stedet for typiske spektroskopiske skift i energi, hvilket kan være mere subtilt og vildledende. Dette var den vigtigste indsigt, der fik os til målstregen, og også hvorfor vi mener, at denne effekt ikke blev observeret tidligere."

"Vigtigt, den fremragende kvantitative overensstemmelse mellem eksperiment og atomistisk DFT-teori bekræftede tilstedeværelsen af ​​langdistanceinteraktioner, giver os stor tillid til vores konklusioner, " siger samarbejdspartner Dr. Muhammad Usman fra University of Melbourne.

Resultaterne af denne undersøgelse kan have store implikationer i udviklingen af ​​fremtidige solid-state elektroniske og optoelektroniske teknologier baseret på organiske molekyler, 2-D materialer og hybride grænseflader.