מהנדסי קולומביה מפתחים התקנים מולקולריים עם בקרת אור

במחקר שפורסם לאחרונה ב תקשורת טבע, חוקרים מקולומביה הנדסה הכריזו על יצירת מכשירים בעלי מולקולה בודדת מולקולית גבוהה, הניתנים לכוונון, שבהם המולקולה מחוברת ללידים על ידי שימוש במגעי מתכת-מתכת ישירים. הגישה החדשנית שלהם משתמשת באור כדי לשלוט בתכונות האלקטרוניות של המכשירים ופותחת את הדלת לשימוש רחב יותר במגעי מתכת-מתכת שיכולים להקל על הובלת אלקטרונים על פני התקן בעל מולקולה אחת.

האתגר

ככל שהמכשירים ממשיכים להתכווץ, יש למזער את הרכיבים האלקטרוניים שלהם. התקנים בעלי מולקולה בודדת, המשתמשים במולקולות אורגניות בתור הערוצים המוליכים שלהם, הם בעלי פוטנציאל לפתור את אתגרי המזעור והפונקציונליזציה העומדים בפני המסורתיים. מוליכים למחצה. מכשירים כאלה מציעים את האפשרות המרגשת של שליטה חיצונית באמצעות אור, אך – עד כה – חוקרים לא הצליחו להדגים זאת.

"עם העבודה הזו, פתחנו מימד חדש באלקטרוניקה מולקולרית, שבו ניתן להשתמש באור כדי לשלוט כיצד מולקולה נקשרת בתוך הפער בין שתי אלקטרודות מתכת", אמרה לאטה ונקטארמן, חלוצה באלקטרוניקה מולקולרית ולורנס גאסמן פרופסור ל- פיזיקה יישומית ופרופסור לכימיה בקולומביה הנדסה. "זה כמו להפעיל מתג ב- ננומטריפותחים כל מיני אפשרויות לתכנון רכיבים אלקטרוניים חכמים ויעילים יותר".

הגישה

הקבוצה של Venkataraman חוקרת את המאפיינים הבסיסיים של מכשירים חד-מולקולתיים במשך כמעט שני עשורים, תוך שהיא חוקרת את יחסי הגומלין בין פיזיקה, כימיה והנדסה בקנה מידה ננומטרי. ההתמקדות הבסיסית שלה היא בבניית מעגלים עם מולקולה אחת, מולקולה המחוברת לשתי אלקטרודות, עם פונקציונליות מגוונת, שבה מבנה המעגל מוגדר בדיוק אטומי.

הקבוצה שלה, כמו גם אלה שיוצרים מכשירים פונקציונליים עם גרפן, חומר דו מימדי מבוסס פחמן, ידעו שיצירת קשרים חשמליים טובים בין אלקטרודות מתכת ומערכות פחמן הוא אתגר גדול. פתרון אחד יהיה להשתמש במולקולות אורגנו-מתכתיות ולתכנן שיטות לחיבור בין מובילים חשמליים לאטומי המתכת בתוך המולקולה. לקראת מטרה זו, הם החליטו לחקור את השימוש במולקולות פרוקן המכילות ברזל אורגנו-מתכתי, הנחשבות גם לאבני בניין זעירות בעולם הננוטכנולוגיה. בדיוק כמו שניתן לערום חלקי לגו יחד כדי ליצור מבנים מורכבים, מולקולות פרוקן יכולות לשמש כאבני בניין לבניית מכשירים אלקטרוניים קטנים במיוחד. הצוות השתמש במולקולה שמסתיימת על ידי קבוצת פרוזן המורכבת משתי טבעות ציקלופנטדיניל על בסיס פחמן שסוחבות ברזל אָטוֹם. לאחר מכן הם השתמשו באור כדי למנף את המאפיינים האלקטרוכימיים של המולקולות המבוססות על פרוצין ליצירת קשר ישיר בין מרכז הברזל הפרוקן לאלקטרודת הזהב (Au) כאשר המולקולה הייתה במצב מחומצן (כלומר כאשר אטום הברזל איבד אלקטרון אחד ). במצב זה, הם גילו שהפרוצין יכול להיקשר לאלקטרודות הזהב המשמשות לחיבור המולקולה למעגלים החיצוניים. מבחינה טכנית, חימצון הפרוצן אפשר את הקישור של Au0 למרכז Fe3+.

"על ידי רתימת החמצון המושרה על ידי אור, מצאנו דרך לתמרן את אבני הבניין הזעירות הללו בטמפרטורת החדר, ולפתוח דלתות לעתיד שבו ניתן להשתמש באור כדי לשלוט בהתנהגות של מכשירים אלקטרוניים ברמה המולקולרית", אמר ראש המחקר. הסופר Woojung Lee, שהוא Ph.D. סטודנט במעבדה של Venkararaman.

השפעה אפשרית

הגישה החדשה של Venkataraman תאפשר לצוות שלה להרחיב את סוגי הכימיה של סיום מולקולרי (מגע) שהם יכולים להשתמש בהם ליצירת התקנים עם מולקולה אחת. מחקר זה מראה גם את היכולת להדליק ולכבות את המגע הזה על ידי שימוש באור כדי לשנות את מצב החמצון של הפרוצן, תוך הדגמה של מכשיר בעל מולקולה בודדת המבוססת על פרוצין הניתן להחלפה באור. המכשירים המבוקרים באור יכולים לסלול את הדרך לפיתוח חיישנים ומתגים המגיבים לאורכי גל אור ספציפיים, ומציעים רכיבים מגוונים ויעילים יותר עבור מגוון רחב של טכנולוגיות.

הקבוצה

עבודה זו הייתה מאמץ משותף הכולל סינתזה, מדידות וחישובים. הסינתזה נעשתה בעיקר בקולומביה על ידי מייקל אינקפן, שהיה פוסט דוקטורט בקבוצת Venkataraman וכיום הוא עוזר פרופסור באוניברסיטת דרום קליפורניה. כל המדידות נעשו על ידי Woojung Lee, סטודנט לתואר שני בקבוצת Venkataraman. החישובים בוצעו הן על ידי סטודנטים לתארים מתקדמים בקבוצת Venkataraman והן על ידי משתפי פעולה מאוניברסיטת רגנסבורג בגרמניה.

מה הלאה

החוקרים בוחנים כעת את היישומים המעשיים של התקנים בעלי מולקולה אחת הנשלטת על ידי אור. זה יכול לכלול אופטימיזציה של ביצועי המכשיר, לימוד התנהגותם בתנאי סביבה שונים, ושכלול פונקציות נוספות המאפשרות ממשק מתכת-מתכת.