En ny studie ledd av kemister vid University of Illinois Urbana-Champaign ger ny insikt i utvecklingen av halvledarmaterial som kan göra saker som deras traditionella kiselmotsvarigheter inte kan – utnyttja kraften i kiralitet, en spegelbild som inte kan läggas över.
Kiralitet är en av naturens strategier som används för att bygga in komplexitet i strukturer, där DNA-dubbelhelixen kanske är det mest kända exemplet – två molekylkedjor förbundna med en molekylär "ryggrad" och vridna åt höger.
I naturen kan kirala molekyler, som proteiner, kanalisera elektricitet mycket effektivt genom att selektivt transportera elektroner i samma spinnriktning.
Forskare har arbetat i decennier för att efterlikna naturens kiralitet i syntetiska molekyler. En ny studie, ledd av professorn i kemisk och biomolekylär kemi Ying Diao, undersöker hur väl olika modifieringar av en icke-kiral polymer som kallas DPP-T4 kan användas för att bilda kirala spiralformade strukturer i polymerbaserade halvledarmaterial.
Potentiella tillämpningar inkluderar solceller som fungerar som löv, datorer som använder kvanttillstånd av elektroner för att beräkna mer effektivt och nya avbildningstekniker som fångar tredimensionell information snarare än 2D, för att nämna några.
Studiens resultat rapporteras i tidskriften ACS Central Science .
"Vi började med att tänka att att göra små justeringar av strukturen hos DPP-T4-molekylen - uppnådda genom att lägga till eller ändra atomerna anslutna till ryggraden - skulle förändra vridningen eller vridningen av strukturen och inducera kiralitet," sa Diao. "Men vi upptäckte snabbt att saker och ting inte var så enkelt."
Med hjälp av röntgenspridning och föreställning upptäckte teamet att deras "små justeringar" orsakade stora förändringar i materialets faser.
"Vad vi observerade är en sorts Goldilocks-effekt," sa Diao. "Vanligtvis sätter molekylerna ihop sig som en tvinnad tråd, men plötsligt, när vi vrider molekylen till en kritisk vridning, började de samlas till nya mesofaser i form av platta plattor eller ark. Genom att testa för att se hur väl dessa strukturer kunde böjas polariserat ljus – ett test för kiralitet – vi blev förvånade när vi upptäckte att arken också kan vrida sig till sammanhängande kirala strukturer."
Teamets resultat belyser det faktum att inte alla polymerer kommer att bete sig på samma sätt när de justeras i ett försök att efterlikna den effektiva elektrontransporten i kirala strukturer. Studien rapporterar att det är kritiskt att inte förbise de komplexa mesofasstrukturer som bildas för att upptäcka okända faser som kan leda till optiska, elektroniska och mekaniska egenskaper som tidigare inte föreställts.
Mer information: Kyung Sun Park et al., Subtila molekylära förändringar modulerar i hög grad kirala spiralformade sammansättningar av Achiral Conjugated Polymers genom Tuning Solution-State Aggregation, ACS Central Science (2023). DOI:10.1021/acscentsci.3c00775
Journalinformation: ACS Central Science
Tillhandahålls av University of Illinois i Urbana-Champaign
