Forskare från Institutet för organisk kemi och biokemi i CAS (IOCB Prag) och institutionella medarbetare har för första gången visat en piezoelektrisk effekt med en enda molekyl. Studien, publiceras i Journal of the American Chemical Society , representerar ett genombrott för att förstå det elektromekaniska beteendet hos enskilda molekyler och ger ett nytt koncept för design av molekylära motorer, sensorer och elgeneratorer i nanoskala.

Den piezoelektriska effekten uppstår i vissa material där de mekaniska och elektriska egenskaperna är kopplade. Antingen kan det elektriska fältet genereras om en mekanisk påkänning appliceras (direkt piezoelektrisk effekt) eller, omvänt, den mekaniska deformationen kan uppstå om det elektriska fältet appliceras (omvänd piezoelektrisk effekt).

Dessa effekter har många praktiska tillämpningar inom bilindustrin, smartphone, dator, medicinsk och militär industri. Den piezoelektriska effekten används i smartphones, mikrofoner, tändare, krockkuddesystem, ekolod och svepmikroskop. Dock, den enmolekylära piezoelektriska effekten, vilket är avgörande för framtida elektromekaniska molekylära enheter, har hittills förblivit svårfångad.

"I ett nära samarbete med fysiker, det bevisades för första gången att en stark omvänd piezoelektrisk effekt kan observeras vid enskilda molekyler av heptahelicenderivatet, som är en skruvliknande kolmolekyl som liknar en fjäder, " sa Ivo Starý, ledaren för gruppen kemister vid IOCB Prag som förbereder föreningen.

Effekten demonstrerades experimentellt av gruppen fysiker vid IP CAS vid individuella molekyler på en silveryta med hjälp av skanningsprobmikroskopi. Gruppledaren Pavel Jelínek säger:"Storleken på den piezoelektriska konstanten beräknad från experimentella data är betydligt högre än den av kända piezoelektriska polymerer och är jämförbar med de magnituder som uppmäts vid vissa oorganiska material som zinkoxid. Dessutom, vi förklarade ursprunget till den piezoelektriska effekten av en enda molekyl genom att använda kvantmekaniska beräkningar."

Hur fungerar den omvända piezoelektriska effekten på nanoskala? Den skruvliknande molekylen som är utrustad med en inre dipol sträcker sig eller klämmer ihop sig beroende på styrkan och polariteten hos det yttre elektriska fältet. Det uppstår genom att applicera en spänningsförspänning mellan silverkudden och den atomärt vassa spetsen på skanningsmikroskopet som finns över den studerade molekylen. Eftersom förändringen i en molekylhöjd kan övervakas med yttersta noggrannhet, det är möjligt att se en molekyldeformation inducerad av det elektriska fältet. En sådan koppling av en molekyls mekaniska rörelse och förändringen i det elektriska fältet, vilket är ömsesidigt i teorin, representerar ett inträde i en värld av molekyler som utför mekaniskt arbete, samt molekylära nanogeneratorer av elektrisk energi.