Kemister på RIKEN har utvecklat en metod för att tillverka syntetiska derivat av det naturliga färgämnet indigo som inte kräver tuffa förhållanden. Denna upptäckt kan inspirera till framsteg inom elektroniska enheter, inklusive ljuskänsliga prylar och stretchiga biomedicinska sensorer.
Halvledare baserade på organiska molekyler väcker stort intresse eftersom de – till skillnad från konventionella stela halvledare baserade på kisel – kan vara flexibla, formbara och lätta, vilket öppnar upp för nya möjligheter för att designa halvledarenheter.
Organiska molekyler har också fördelen av att realisera ett brett spektrum av strukturer. "Organiska halvledare har flexibilitet i molekylär design, vilket gör det möjligt för dem att ta till sig nya funktioner", säger Keisuke Tajima från RIKEN Center for Emergent Matter Science, som ledde forskningen publicerad i Chemical Science .
För att utforska denna potential för förbättrad elektronisk funktion genom molekylär design, undersökte Tajima och hans team en molekyl relaterad till indigo, kallad 3,3-dihydroxi-2,2-biindan-1,1-dion (BIT). "Detta projekt började med en enkel fråga:Kan protoner och elektroner röra sig samtidigt i fast tillstånd?" säger Tajima.
Protonkopplad elektronöverföring – där elektronernas rörelse är kopplad till protonernas – anses ofta vara avgörande för att förverkliga effektiv elektronöverföring i biologiska system. Om det kan inkorporeras i organiska fasta material kan det leda till halvledare med unika dynamiska egenskaper. Hittills har dock inget fast tillståndsmaterial som uppvisar protonkopplad elektronöverföring visats.
Tajima och hans team har nu funnit att BIT och dess derivat genomgår ovanliga omarrangemang i sina strukturer som involverar dubbelprotonöverföring, vilket kan ge dem unika möjligheter som elektroniska funktionella material.
Tajima identifierade BIT och dess derivat som lovande material för protonkopplad elektronöverföring i fast tillstånd, eftersom molekylen innehåller två protoner som verkar idealiskt placerade för att hoppa från en position till en annan under elektronöverföring.
Fram till nu har det krävt hårda förhållanden att göra BIT som kraftigt begränsat utbudet av derivat som kunde göras. Medlemmar i teamet utvecklade ett tillvägagångssätt för rumstemperatur som möjliggjorde syntesen av flera BIT-derivat under mycket mildare förhållanden.
Med BIT-derivat i handen utforskade teamet molekylernas egenskaper. "Den svåraste delen var att bevisa att protonerna i BIT genomgår protonöverföring mellan molekyler i fast tillstånd", säger Tajima. I samarbete med RIKENs experter inom röntgenkristallografi och kärnmagnetisk resonans i fast tillstånd (NMR) visade teamet att de två protonerna snabbt byter positioner.
Beräkningar tyder på att protonöverföring verkligen är kopplad till laddningstransport; lagets nästa mål är att bekräfta denna koppling experimentellt. "Vi vet inte om närvaron av en proton kommer att förbättra laddningstransporten, men som grundläggande fysik kan det öppna intressanta vägar", säger Tajima.
Mer information: Kyohei Nakano et al, Syntes av 3,3'-dihydroxi-2,2'-diindan-1,1'-dionderivat för tautomera organiska halvledare som uppvisar intramolekylär dubbel protonöverföring, Chemical Science (2023). DOI:10.1039/D3SC04125E
Tillhandahålls av RIKEN
