När forskare drömmer om framtidens elektronik, de drömmer mer eller mindre om att hälla vätska i en bägare, rör ihop dem och häll ut en dator på bordet. Detta forskningsområde är känt som självmonterande molekylär elektronik. Men, att få kemiska ämnen att självmontera till elektroniska komponenter är precis så komplicerat som det låter. Nu, en grupp forskare har publicerat sitt genombrott inom området. Gruppen består av förstaårs nanovetenskapsstudenter från Köpenhamns universitet.
Thomas Just Sørensen, en docent vid Köpenhamns universitet, ledde forskningsprojektet. Gruppens resultat har publicerats i den internationellt erkända tidskriften ChemNanoMat i en artikel med titeln, "Mallstyrda joniska självmonterade molekylära material och tunna filmer med nanoskopisk ordning". Sørensen tror att resultatet kommer att skapa nya genombrott:
"Detta är ett tydligt steg framåt mot självmonterande elektronik. Genom att blanda lösningar av rätt ämnen, vi byggde automatiskt strukturer som i princip kunde ha varit solceller eller transistorer. Vad är mer, är att de byggdes på samma sätt som naturen bygger sådant som cellmembran, säger Sørensen.
Sørensens medförfattare är hela första året av Köpenhamns universitets nanovetenskapsstudenter. Denna imponerande bedrift är resultatet av en omstrukturering av nanovetenskapsprogrammet 2010, från ett program strukturerat på forskningsbaserad undervisning, till en som använder undervisningsbaserad forskning. För deras första uppdrag, eleverna ombads helt enkelt att designa, genomföra och analysera en rad experiment. Den nya instruktionstypen har tappat forskningsresultat varje år sedan dess. Dock, det var inte förrän 2013 som ett resultat var klart att publiceras.
"För oss som universitet, den stora nyheten är uppenbarligen att förstaårsstudenter genomförde forskningen. Men, vi uppnådde ett mycket betydande resultat även inom molekylär elektronik, " konstaterar Thomas Just Sørensen.
Elektronik tillverkas normalt på ett sådant sätt att man "ritar" komponenter på en kiselskiva och tar sedan bort alla bitar som inte ingår i den elektroniska komponenten. Detta kallas "Top-down"-produktion. Molekylär elektronik möjliggör produktion av transistorer, motstånd, LED-skärmar, solceller och så vidare, med kemibaserade metoder. I princip, detta innebär att elektroniken kan bli mindre, billigare och mer flexibel, samt miljömässigt hållbara. Men medan man kan rita en integrerad krets på kisel, molekylära komponenter måste självorganisera sig i rätt strukturer. Detta är ett stort hinder i utvecklingen av metoder där molekyler måste gå med och självorganisera sig på ett sådant sätt att de kan hittas igen, enligt Sørensen.
"Det hjälper inte att ha en hög med transistorer, om du inte vet åt vilket håll de är vända. Dessa kan inte kombineras på ett sätt för att få dem att fungera, och man vet inte vilken ände man ska ansluta till elektrisk ström."
Hemligheten bakom genombrottet är... Tvål. De molekylära komponenterna som gör självmonterande elektronik möjlig är svampdödande medel som används i olika desinfektionsmedel, krämer och kosmetika. Dessa rengöringsmedel dödar svampar genom att störa strukturerna i deras cellmembran. Samma förmåga kan användas för att skapa ordning bland molekylära komponenter. Sørensen och hans elever experimenterade genom att hälla en flod av olika tvålar, diskmedel och tvättmedel tillsammans med komponentliknande kemiska ämnen. Blandningarna hälldes sedan ut på glasskivor för att undersöka om "komponenterna" var organiserade av de olika rengöringsmedlen. Och nu har de varit, säger Sørensen.
"Vår självmonterande elektronik är lite som att lägga tårtlager, vaniljsås och frosting i en mixer och få det hela att hoppa ut ur mixern som en perfekt formad lagerkaka, säger Thomas Just Sørensen.
I längden, dessa nya upptäckter öppnar dörren till utveckling av kraftfulla och ekonomiska solenergianläggningar, samt förbättrad skärmteknik. Med det sagt, molekylerna som användes i nanovetenskapsprogrammet hade ingen elektronisk funktionalitet. "Om de gjorde det, vi skulle ha varit på omslaget till Vetenskap istället för i a ChemNanoMat artikel, " säger Just Sørensen. Oavsett, han förblir självsäker.
"Vi kunde få en struktur helt enkelt genom att blanda rätt ämnen. Även slumpmässiga ämnen kunde organisera sig väl och lagra, så att vi nu har fullständig kontroll över var molekylerna är, och i vilken riktning de är orienterade. Nästa steg är att införliva funktionalitet i lagren, " säger docent Sørensen. Han är övertygad om att nästa sats av utmaningar kommer att ge perfekta uppdrag för de många år av nanovetenskapliga studenter som kommer, och det som deras nuvarande kamrater, Dessa studenter kommer också att ha möjlighet att publicera under sitt första studieår.
