Fig. 1:(Vänster) Kemiska strukturer av helt isolerade molekylära trådar härledda från oligotiofen med nanometerlängdsskalor. Den övre figuren visar den platta konformationen, medan den nedre figuren visar den tvinnade formen. (Höger) Resultat av konduktansmätningar av en enda molekyl, i vilken konduktiviteten plottas som en funktion av oligomerlängden. Övergången från tunnlingsregimen till hoppningsregimen sker vid en kortare kedjelängd i de platta nanotrådarna på grund av deras ökade konduktivitet.
Ett team vid Osaka University har skapat nanotrådar med en molekyl, komplett med ett isoleringsskikt, upp till 10 nanometer lång. När de mätte de elektriska egenskaperna hos dessa nanotrådar, forskarna fann att genom att tvinga de bandliknande kedjorna att vara platta förbättrades deras konduktivitet avsevärt jämfört med en vriden konformation. Resultaten kan möjliggöra en ny generation av billiga högteknologiska enheter, inklusive smartphoneskärmar och solceller.
Kolbaserade polymerer, som är långa molekylkedjor gjorda av upprepade enheter, finns överallt, från gummit i sulorna på dina skor till proteinerna som din kropp består av. Vi trodde att dessa molekyler inte kunde leda elektricitet, men allt förändrades med upptäckten av ledande polymerer. Dessa är en liten undergrupp av kolbaserade molekyler som kan agera som små trådar på grund av deras omväxlande enkel- och dubbelkemiska bindningar, även kallade konjugerade bindningar. Eftersom kolbaserade ledare är mycket enklare och billigare att tillverka och anpassa än konventionell elektronik, de har sett en snabb användning i OLED-TV, iPhone skärmar, och solpaneler, samtidigt som de drastiskt minskar kostnaderna.
Nu, forskare vid Osaka University har syntetiserat kedjor av oligotiofen av olika längder, med upp till 24 upprepade enheter. Det betyder att enstaka nanotrådar kan vara upp till 10 nanometer långa. Isolering av ledningarna behövdes för att undvika strömmar mellan trådarna, så att den inneboende konduktiviteten hos en enda molekyl kunde mätas exakt. På grundval av kvantmekanikens regler, elektroner i molekyler beter sig mer som utspridda vågor än lokala partiklar. De överlappande bindningarna i oligotiofen gör att elektroner kan spridas helt ut över polymerryggraden, så att de lätt kan transversera molekylen för att skapa en elektrisk ström.
Denna avgiftstransport kan ske på två väldigt olika sätt. "På korta avstånd, elektroner förlitar sig på sin vågliknande natur för att "tunnla" direkt genom barriärer, men över långa avstånd, de hoppar från plats till plats för att nå sin destination, ", förklarade första författaren Dr. Yutaka Ie. Teamet vid Osaka University fann att förändring av oligotiofenkedjan från vriden till platt ledde till mycket större överlappning av den konjugerade ryggraden av oligotiofen, vilket i sin tur innebar en större total konduktivitet. Som ett resultat, övergången från tunnling till hoppande ledning skedde med platta kedjor med kortare kedjelängder, jämfört med dem med vriden konformation.
Forskarna tror att detta arbete kan öppna en helt ny värld av enheter. "Denna studie visar att våra isolerade nanotrådar har potential att användas i ny "enmolekyl"-elektronik, " sade huvudförfattaren Dr. Yoshio Aso. Arbetet publiceras i Journal of Physical Chemistry Letters som "Highly Planar and Completely Insulated Oligothiophenes:Effects of π-Conjugation on Hopping Charge Transport."
