Forskare har upptäckt hur man kontrollerar molekyler kopplade till grafen, banar väg för små biologiska sensorer och enheter att hålla information.

Grafen är ett material tillverkat av ett enda ark av kolatomer i ett bikakearrangemang. På grund av sin unika elektriska ledningsförmåga, grafen har potential att vara en bas för elektroniska enheter som bara är nanometer (miljarddelar av en meter) i storlek.

För att trimma ark av grafen så att de är användbara i olika situationer, andra organiska molekyler är fästa på arket, och dessa molekyler måste interagera med grafenarket på förutsägbara sätt.

Till exempel, om den elektriska laddningen av molekyler kunde kontrolleras, då skulle de kunna användas som molekylära "switchar". Switchar är viktiga i elektroniska enheter som lagrar information, som hårddiskar, där sekvensen av "på" eller "av" lägen för omkopplaren kodar information, på ett liknande sätt som 1:orna och 0:orna för digital information.

Forskare har experimenterat med enstaka molekyler på grafenark, men det har varit svårt att tolka resultaten och därför att designa enheter som drar fördel av interaktionerna mellan arken och molekylerna.

Nu, ett team ledd av professor Mike Crommie från University of California, Berkeley och inklusive forskare från Imperial College London har upptäckt hur man kontrollerar en egenskap – laddningstillståndet – hos enskilda organiska molekyler fästa på grafenark.

Deras resultat publiceras idag i tidskriften Naturkommunikation .

Ultra liten strömbrytare

Teamet placerade en molekyl av tetrafluortetracyanokinodimetan (F4-TCNQ) på ett grafenark och ökade grafenens elektrontäthet med hjälp av ett elektriskt fält. Genom att använda tekniker som kallas skanningstunnelspektroskopi och atomkraftsmikroskopi, de fann att grafenen donerar några av dess elektroner till den organiska F4-TCNQ-molekylen, ändra dess laddningstillstånd på ett förutsägbart sätt.

Denna insikt kan göra det möjligt för forskare att designa små grafenbaserade elektroniska enheter. Dr Johannes Lischner, från Institutionen för material på Imperial, hjälpte till att utveckla en del av teorin bakom systemet. Han sa:"En molekyl med ett kontrollerbart laddningstillstånd kan fungera som en ultraliten switch, som är en grundläggande byggsten för elektroniska enheter.

"En sådan switch kan användas för att lagra information, liknande flashminne som används i USB-minnen. Alternativt i en biologisk sensor kan du teoretiskt använda omkopplingsbara molekyler för att hjälpa till att upptäcka närvaron av andra molekyler, som cancerceller."

Teamet utökar nu sin metod för att undersöka par av molekyler och sammansättningar av små antal molekyler på grafenark, samt att titta på sätt att förankra enskilda molekyler till grafenet för att förenkla tillverkningen av nya enheter.