Kredit:Leiden Institute of Physics
En internationell grupp forskare från Leiden, Delft, Bern och Chuo har utvecklat den första omkopplingsbara molekylära dioden, som kan slås på och av genom fukt. Den fungerar också som en fuktsensor på nanoskala. Studien har publicerats i Naturens nanoteknik .
2016, Feringa, Stoddard och Sauvage fick Nobelpriset för att utveckla molekylära motorer. Deras arbete ger ett spektakulärt exempel på ett bredare forskningsområde där forskare studerar molekyler med en kemiskt programmerad funktion. Förutom motorer, de fungerar också på molekylära dioder, omkopplare och transistorer, alla med en typisk längd av en nanometer, och representerar därmed den ultimata miniatyriseringen. Leiden-fysikerna Sense Jan van der Molen och Huseyin Atesci, tillsammans med Delft, Bern och Chuo (Japan), har nu visat den första omkopplingsbara molekylära dioden.
Forskarna upptäckte att den elektriska ledningsförmågan hos molekylen 2-Ru-N beror på luftfuktigheten. Under torra förhållanden, samma mängd ström flyter genom molekylen under positiv eller negativ spänning. Detta förändras dramatiskt i en fuktig miljö. Isåfall, endast en positiv spänning inducerar en ström. Forskarna har skapat en molekylär krets som fungerar som en unik kombination av en omkopplare och en diod - en omkopplingsbar molekylär diod som slås på och av med fuktighet. Molekylen fungerar också som en fuktsensor baserad på strukturen hos en specifik molekyl.
Överst:Låg luftfuktighet. Vid nollspänning (c), energinivåerna på vänster och höger sida av den symmetriska molekylen (a) är lika. Om vi nu applicerar en spänning, energinivåerna kommer att skifta i förhållande till varandra. Avståndet mellan nivåerna är oberoende av positiv (d) eller negativ (e) spänning. Därför, en lika stor ström kommer att flyta för positiv och negativ spänning. Nederst:Hög luftfuktighet. Eftersom vattnet finns på ena sidan av molekylen, symmetrin mellan energinivåerna bryter redan vid nollspänning (h). Vid positiv spänning (i), energinivåerna kommer närmare varandra, så en betydande ström kan flöda. Dock, en negativ spänning (j) förstorar skillnaden mellan båda nivåerna, så strömmen är blockerad. Kredit:Leiden Institute of Physics
Den lilla dioden fungerar med hjälp av en asymmetri som orsakas av vattenmolekyler. Vid cirka 60 procent luftfuktighet, de klumpar sig samman på höger sida av molekylskiktet (se figur f). Detta orsakar en obalans mellan energinivåerna på båda sidor (h), vilket starkt begränsar flödet av elektroner. En positiv spänning över molekylen höjer energinivån på höger sida (i), så nivåernas inriktning återställs och ström flyter igen. En negativ spänning å andra sidan skapar en ännu större asymmetri (j) och leder till en mycket låg ström. Under torra förhållanden, molekylens symmetri går inte sönder och diodbeteendet försvinner.
Princip
"Hela principen är baserad på symmetri, så det gäller inte enbart vatten, " säger Van der Molen. "I teorin fungerar det här konceptet även för alkohol eller giftiga gaser, till exempel." Det betyder att upptäckten inte bara handlar om att mäta fukt i luften. Om forskare hittar en lämplig molekyl i framtiden bestående av två symmetriska halvor, precis som 2-Ru-N, "principen möjliggör även andra sensorer, som ett molekylärt alkoholtest eller kolmonoxiddetektor.
