Gedraaide moleculaire draden vertonen een hoge geleidbaarheid van één molecuul

Van de hoogspanningsdraden die elektriciteit over lange afstanden transporteren tot de wolfraamfilamenten in onze gloeilampen, we zijn misschien gewend geraakt aan het idee dat elektrische geleiders altijd van metaal zijn gemaakt. Maar al tientallen jaren werken wetenschappers aan geavanceerde materialen op basis van koolstofgebaseerde oligomeerketens die ook elektriciteit kunnen geleiden. Hiertoe behoren de organische lichtgevende apparaten die in sommige moderne smartphones en computers te vinden zijn.

In de kwantummechanica zijn elektronen niet alleen puntdeeltjes met bepaalde posities, maar kunnen ze ook ‘gedelokaliseerd’ worden over een regio. Een molecuul met een lange reeks afwisselende enkele en dubbele bindingen heeft naar verluidt pi-conjugatie, en geleidende polymeren werken door gedelokaliseerde elektronen te laten springen tussen pi-geconjugeerde regio’s – een beetje zoals een kikker die springt tussen nabijgelegen plassen.

De efficiëntie van dit proces wordt echter beperkt door verschillen in de energieniveaus van aangrenzende regio’s. Het fabriceren van oligomeren en polymeren met meer uniforme energieniveaus kan leiden tot een hogere elektrische geleidbaarheid, wat noodzakelijk is voor de ontwikkeling van nieuwe praktische organische elektronica, of zelfs draden van één molecuul.

Nu, in een studie gepubliceerd in Het tijdschrift van de American Chemical SocietyOnderzoekers van SANKEN (Instituut voor Wetenschappelijk en Industrieel Onderzoek) aan de Universiteit van Osaka hebben verschillende moleculaire draden op nanometerschaal met periodieke draaiingen gecreëerd.

Vergeleken met eerdere pogingen waarbij één lange keten werd gebruikt die willekeurig kon roteren, bestonden deze oligomeren uit rigide gefuseerde regio’s die gescheiden waren door gelijkmatig verdeelde draaiingen. De onderzoekers toonden aan dat hun monsters een hogere geleiding vertoonden vergeleken met die in niet-gefuseerde oligothiofenen.

“Door de grootte van deze pi-geconjugeerde regio’s zorgvuldig te controleren, werd een hoge geleiding per enkel molecuul bereikt in deze oligomeren met behulp van rigide moleculaire structuren”, aldus Ryo Asakawa, hoofdauteur van de studie.

De onderzoekers hopen dat deze methode kan worden toegepast om nieuwe organische elektronische apparaten te maken. Deze kunnen goedkoper worden geproduceerd als dunne chemische films die worden aangebracht op flexibele substraten, vergeleken met conventionele methoden op basis van silicium, waarvoor vaak speciale cleanrooms nodig zijn om ze te produceren met behulp van lithografie.

“We verwachten dat dit onderzoek zal leiden tot betere single-molecule elektronica en organische dunne-film apparaten,” zegt hoofdauteur Yutaka Ie. Individuele moleculaire draden kunnen zelfs worden gebruikt als biocompatibele sensoren in levende cellen.