Molekyler bildas vanligtvis i reaktionskärl eller laboratoriekolvar. Ett Empa-forskarlag har nu lyckats producera molekyler mellan två mikroskopiskt små, rörliga guldspetsar – på sätt och vis som ett "handstickat" unikt exemplar. Molekylernas egenskaper kan övervakas i realtid medan de produceras. Forskningsresultaten har precis publicerats i Naturkommunikation .

Tillverkningen av elektroniska komponenter följer vanligtvis en top-down-väg i specialiserade fysiska laboratorier. Använda speciella skärverktyg i rena rum, forskare är kapabla att tillverka strukturer som bara når några få nanometer. Dock, Atomprecision är fortfarande mycket utmanande och kräver vanligtvis speciella mikroskop som ett Atomic Force Microscope (AFM) eller ett Scanning Tunneling Microscope (STM). Kemister å andra sidan uppnår rutinmässigt en tour de force:De kan syntetisera ett stort antal molekyler som alla är exakt identiska. Men att syntetisera en enda molekyl med atomär precision och övervaka denna sammansättningsprocess är fortfarande en formidabel utmaning.

En forskargrupp från Empa, universitetet i Basel och universitetet i Oviedo har nu lyckats göra just det:Forskarna syntetiserade kedjeformade molekyler mellan två mikroskopiskt små guldspetsar. Varje molekyl skapas individuellt. Egenskaperna hos den resulterande molekylen kan övervakas och dokumenteras i realtid under syntes.

Mikrofabrik mellan guldspetsar

Anton Vladyka, Jan Overbeck och Mickael Perrin arbetar på Empas laboratorium "Transport at Nanoscale Interfaces", leds av Michel Calame. För sina experiment, de använde en teknik som kallas MCBJ (mechanical controlable break junction). En guldbro som bara är några nanometer tunn sträcks långsamt i en reagenslösning tills den går sönder. Enskilda molekyler kan fästa sig vid sprickorna på nanobryggan och genomgå kemiska reaktioner.

Empa-forskare doppade guldspetsarna i en lösning av 1, 4-diisocyanobensen (DICB), en molekyl med starka elektriska dipoler i båda ändar. Dessa högladdade ändar binder lätt till guldatomer. Resultatet:När bron rivs sönder, en DICB-molekyl lösgör enskilda guldatomer från kontakten och bygger därmed en molekylkedja. Varje DICB-molekyl följs av en guldatom, följt av en annan DICB-molekyl, en guldatom, och så vidare.

Anmärkningsvärt, den molekylära sammansättningen var inte beroende av några tillfälligheter, men fungerade mycket reproducerbart – även vid rumstemperatur. Forskarna öppnade och stängde upprepade gånger guldbron för att bättre förstå processen. I 99 av 100 försök bildades identiska molekylkedjor av guld och DICB. Genom att övervaka den elektriska ledningsförmågan mellan guldkontakterna kunde forskarna till och med bestämma längden på kedjan. Upp till tre kedjelänkar kan detekteras. Om fyra eller fler kedjelänkar bildas, konduktiviteten är för låg och molekylen förblir osynlig under detta experiment.

Denna nya metod gör det möjligt för forskare att producera elektriskt ledande molekyler som unika prover och att karakterisera dem med en mängd olika metoder. Detta öppnar helt nya möjligheter att ändra de elektriska egenskaperna hos enskilda molekyler direkt ("in situ") och justera dem med atomär precision. Detta anses vara ett avgörande steg mot ytterligare miniatyrisering av elektroniska komponenter. På samma gång, det ger djupa insikter i transportprocesser på atomär nivå. "För att upptäcka nya egenskaper i molekylära sammansättningar, vi måste först kunna bygga dessa molekylära strukturer på ett reproducerbart sätt, ", säger Michel Calame. "Detta är precis vad vi nu har uppnått."