Исследователи производят и контролируют уникальные молекулы между двумя микроскопически маленькими подвижными золотыми наконечниками

21 января 2019 года

Обычно молекулы получают в лабораторных колбах или реакционных сосудах. Группа исследователей из Эмпа в настоящее время успешно произвела молекулы между двумя микроскопически маленькими подвижными золотыми наконечниками, по-видимому, в виде уникального образца, «вязаного вручную».

Майкл Калам возглавляет лабораторию Empa «Транспорт в наноразмерных интерфейсах». Он разработал и руководил экспериментами вместе с Марселем Майором из Университета Базеля и Хайме Феррером из Университета Овьедо (Испания). (Изображение предоставлено: Empa)

По мере того, как молекулы производятся, их свойства могут контролироваться в режиме реального времени. Результаты исследования были опубликованы в Nature Communications .

Производство электронных компонентов обычно соответствует нисходящему пути в сложных физических лабораториях. Исследователи могут изготавливать конструкции размером не более нескольких нанометров с помощью специальных резьбовых инструментов в чистых помещениях. Тем не менее, атомная точность остается чрезвычайно труднодостижимой и обычно требует специальных микроскопов, таких как сканирующий туннельный микроскоп (STM) или атомно-силовой микроскоп (AFM). В отличие от этого, химики регулярно добиваются успеха: они могут производить огромное количество молекул, которые выглядят одинаково. Тем не менее, получение одной молекулы с атомной точностью и наблюдение за этим процессом сборки все еще остается сложной задачей.

Группа исследователей из Эмпа, Базельского университета и Университета Овьедо успешно достигла следующих результатов: Ученые создали молекулы в форме цепочки между двумя микроскопически маленькими золотыми наконечниками. Каждая молекула синтезируется отдельно. Можно отслеживать и документировать свойства получаемой молекулы в процессе ее синтеза.

Микро-мануфактура между золотыми наконечниками

Антон Владыка, Ян Овербек и Микаэль Перрин работают в лаборатории Empa «Транспорт на наноразмерных интерфейсах», которую возглавляет Мишель Калам. В своих экспериментах они использовали технику, известную как механически управляемое разрывное соединение (MCBJ). Золотой мост толщиной всего в несколько нанометров постепенно растягивается в растворе реагента до его разрушения. Отдельные молекулы могут связываться с кончиками разрушения наномоста и проходить химические реакции.

Исследователи из Empa погрузили золотые наконечники в раствор 1,4-диизоцианобензола (DICB), молекулы, которая имеет сильные электрические диполи на обоих концах. Высоко заряженные концы легко присоединяются к атомам золота. В результате, когда мост разрывается, молекула DICB отделяет отдельные атомы золота от контакта и, следовательно, строит молекулярную цепь. Атом золота следует за каждой молекулой DICB, молекула DICB следует за атомом золота, а другой атом золота следует за ним, и эта цепь повторяется снова и снова.

Высокий показатель успеха

Следует отметить, что молекулярная сборка не зависела от каких-либо совпадений, но работала с высокой воспроизводимостью даже при комнатной температуре. Ученые снова и снова открывали и закрывали золотой мост, чтобы лучше понять процесс. Из 100 испытаний было получено 99 идентичных молекулярных цепочек золота и DICB. Ученые даже смогли определить длину цепи, контролируя электропроводность между золотыми контактами. Можно обнаружить до трех звеньев цепи. В случае создания четырех или более звеньев цепи проводимость очень низкая, и молекула остается невидимой в этом эксперименте.

Основы химического и физического анализа

Этот новый метод позволяет ученым синтезировать электропроводящие молекулы в качестве уникальных образцов и характеризовать их, используя ряд методов. Это открывает путь к совершенно новым возможностям для непосредственного изменения электрических свойств отдельных молекул («на месте») и регулировки их с атомной точностью. Это рассматривается как важный шаг на пути к дальнейшей миниатюризации электронных компонентов. Одновременно он обеспечивает глубокое понимание транспортных процессов на атомном уровне.

Чтобы открыть новые свойства в молекулярных собраниях, мы должны сначала быть в состоянии построить эти молекулярные структуры воспроизводимым способом. Это именно то, чего мы сейчас достигли .

Мишель Калам, начальник отдела транспорта в лаборатории наноразмерных интерфейсов, Эмпа

Source link