Sociaal verre moleculaire interacties benutten voor toekomstig computergebruik

Kunnen langeafstandsinteracties tussen individuele moleculen een nieuwe manier van berekenen creëren?

Interacties tussen individuele moleculen op een metalen oppervlak strekken zich uit over verrassend grote afstanden – tot enkele nanometers.

Een nieuwe studie, zojuist gepubliceerd, van de veranderende vorm van elektronische toestanden die door deze interacties worden geïnduceerd, kan in de toekomst worden toegepast bij het gebruik van moleculen als individueel adresseerbare eenheden.

In een toekomstige computer die op deze technologie is gebaseerd, zou bijvoorbeeld de toestand van elk afzonderlijk molecuul kunnen worden gecontroleerd, waarbij de binaire werking van transistors in de huidige computers wordt weerspiegeld.

Het meten van sociaal ver verwijderde moleculaire interacties op een metalen oppervlak

De samenwerking tussen Monash en University of Melbourne bestudeerde de elektronische eigenschappen van magnesiumftalocyanine (MgPc) dat op een metalen oppervlak werd gestrooid.

MgPc is vergelijkbaar met het chlorofyl dat verantwoordelijk is voor fotosynthese.

Door zorgvuldige, atomair nauwkeurige scanning probe microscopie metingen, toonden de onderzoekers aan dat de kwantummechanische eigenschappen van elektronen in de moleculen – namelijk hun energie en ruimtelijke verdeling – significant worden beïnvloed door de aanwezigheid van naburige moleculen.

Enkele en gepaarde MgPc-moleculen. Hoewel de moleculaire structuur onaangetast blijft door de aanwezigheid van het naburige molecuul (afbeeldingen van atomaire krachtmicroscopie, bovenaan), is de elektronendistributie (scanning tunneling-spectroscopiekaarten, onderaan) aanzienlijk veranderd. Credit: Klein

Dit effect – waarbij het onderliggende metaaloppervlak een sleutelrol speelt – wordt waargenomen bij intermoleculaire scheidingsafstanden van enkele nanometers, significant groter dan verwacht voor dit soort intermoleculaire interactie.

Van deze inzichten wordt verwacht dat ze de ontwikkeling van elektronische en opto-elektronische halfgeleidertechnologieën die zijn opgebouwd uit moleculen, 2-D-materialen en hybride interfaces, zullen informeren en stimuleren.

Rechtstreeks veranderingen in moleculaire orbitale symmetrie en energie waarnemen

De ftalocyanine (Pc) ‘klavertje vier’ ligand, versierd met een magnesium (Mg) atoom in het midden, maakt deel uit van het chlorofylpigment dat verantwoordelijk is voor fotosynthese in bio-organismen.

Metaalftalocyanines zijn exemplarisch voor de afstembaarheid van hun elektronische eigenschappen door het centrale metaalatoom en perifere functionele groepen te verwisselen, en hun vermogen om zichzelf te assembleren in zeer geordende enkele lagen en nanostructuren.

Geavanceerde scanning probe microscopie metingen onthulden een verrassend lange-afstandsinteractie tussen MgPc-moleculen geadsorbeerd op een metalen oppervlak.

Kwantitatieve analyse van de experimentele resultaten en theoretische modellering toonden aan dat deze interactie het gevolg was van menging tussen de kwantummechanische orbitalen – die de ruimtelijke verdeling van elektronen binnen het molecuul bepalen – van naburige moleculen. Deze moleculaire orbitale menging leidt tot significante veranderingen in elektronenenergieën en elektronendistributiesymmetrieën.

Het lange bereik van de intermoleculaire interactie is het resultaat van de adsorptie van het molecuul op het metaaloppervlak, waardoor de verdeling van de elektronen van het molecuul “verspreid” wordt.

“We moesten onze scanning-sondemicroscoop tot nieuwe limieten duwen in termen van ruimtelijke resolutie en complexiteit van data-acquisitie en analyse”, zegt hoofdauteur en FLEET-lid Dr. Marina Castelli.

“Het was een grote verschuiving in het denken om de intermoleculaire interactie te kwantificeren vanuit het oogpunt van symmetrieën van ruimtelijke distributie van elektronen, in plaats van typische spectroscopische verschuivingen in energie, die subtieler en misleidend kunnen zijn. Dit was het belangrijkste inzicht dat ons naar de finishlijn, en ook waarom we denken dat dit effect niet eerder is waargenomen. “

“Belangrijk is dat de uitstekende kwantitatieve overeenkomst tussen experiment en atomistische DFT-theorie de aanwezigheid van langetermijninteracties bevestigde, wat ons een groot vertrouwen gaf in onze conclusies”, zegt medewerker Dr. Muhammad Usman van de Universiteit van Melbourne.

De resultaten van deze studie kunnen grote implicaties hebben voor de ontwikkeling van toekomstige elektronische en opto-elektronische technologieën in vaste toestand op basis van organische moleculen, 2-D materialen en hybride interfaces.