Polyaromatiska kolväten (PAH) utgör en viktig klass av molekyler, som kan betraktas som små grafenarter och som spelar en framträdande roll i utvecklingen av organisk elektronik. Forskare vid Radboud University, University of Amsterdam och FOM visar nu att kantstrukturerna hos dessa till synes liknande molekyler är ansvariga för spektakulära skillnader i transportegenskaper, möjliggör smartare design av nya material. Naturkommunikation publicerar resultaten den 31 augusti.

PAH består av anslutna sexkantiga kolringar. De är användbara för att producera material för nya superledare på molekylskala, men de är också av astrofysiskt intresse eftersom en betydande bråkdel av det interstellära kolet antas vara låst i dessa mycket stabila molekyler. För alla dessa applikationer, en grundläggande förståelse för elektronfördelningen och dess relation till topologiska egenskaper hos PAH:er är viktig. Det exakta sättet på vilket kolringar är fästa - molekylens topologi - tycktes spela en stor roll här, men det var oklart hur. Med avancerade spektroskopiska experiment på FELIX -laboratoriet, fysikern Héctor Alvaro Galué tillsammans med forskare från Radboud University och University of Amsterdam, har visat att topologin bestämmer hur elektronfördelningen är kopplad till kolskelettets vibrationsdynamik.

Zigag- och fåtöljstrukturer

Med FELIX gratis elektronlaser vid Radboud University, Alvaro Galué bestämde vibrationsspektra för två positivt laddade PAH -joner som består av fem anslutna sexhörningar. Pentacen har en sicksackkantstruktur (Figur 1, till höger och figur 2, ovan) medan kantstrukturen av piken vanligtvis kallas fåtölj (figur 1, vänster och figur 2, botten). Oväntat, en jämförelse av IR -spektra för de två PAH -jonerna avslöjade stora intensitetsskillnader för vibrationerna hos de två PAH -jonerna.

Den (bland molekylära fysikerna) välkända Born-Oppenheimer-approximationen utgör en strikt åtskillnad mellan elektronisk och kärnrörelse. Dock, de beskrivna skillnaderna i vibrationsspektra för pentacen och piken visar motsatsen. Under den första delen av en vibration, ena sidan av molekylen har en högre elektrontäthet än den andra halvsidan. Under den andra delen av vibrationen, situationen vänder:elektrontätheten förskjuts till den sidan. Situationen är jämförbar med en periodiskt lutande behållare fylld med vatten, orsakar att vattnet slinker från ena sidan till den andra. "Sloshing" av elektrontätheten - elektronflödet - ökar absorptionen av infrarött ljus vid den specifika frekvensen av de vibrerande kolatomerna.

Elektronflöde

Den nuvarande publikationen visar att elektrontäthetsförlusten i piken förbättras, medan den till stor del avbryter i pentacen. Beräkningar tyder på att detta inte bara är fallet för picen och pentacen, men att det är en egenskap hos PAH:er med zigzag- och fåtöljskonstruktioner. Detta ger värdefull inblick i de elektroniska egenskaperna hos dessa två klasser av PAH (och grafen) topologier.