Organiska självmonterade monoskikt (SAM) har funnits i över fyrtio år. Den mest använda formen är baserad på tioler, bunden till en metallyta. Dock, även om tiol SAMs är mycket mångsidiga, de är också kemiskt instabila. Exponering av dessa monoskikt för luft kommer att leda till oxidation och nedbrytning inom en enda dag. Forskare vid University of Groningen har nu skapat SAMs med hjälp av buckyballs som är funktionaliserade med "svansar" av etylenglykol. Dessa molekyler producerar självmonterade monoskikt som har alla egenskaper hos tiol SAM men förblir kemiskt oförändrade i flera veckor när de utsätts för luft. Denna robusthet gör dem mycket lättare att använda i forskning och i enheter. En artikel om dessa nya SAMs publicerades i Naturmaterial den 30 januari.

Självmonterade monoskikt är dynamiska strukturer, förklarar University of Groningen Docent i organiska materialkemi och enheter Ryan Chiechi:"Dessa monoskikt reparerar sig själv och molekylerna kommer kontinuerligt att hitta den mest effektiva förpackningen. Dessutom kommer alla processer är reversibla, och det är möjligt att ändra deras sammansättning. "Detta skiljer SAM från andra monoskikt som används för att funktionalisera ytor." Dessa är ofta mycket stabila, men de monteras inte själv och saknar dynamiken i SAM:er. "

Kvanttunnel

SAMs baserade på bindning av tioler (svavelinnehållande grupper) till metall studeras och används i stor utsträckning. SAMs tillämpningar sträcker sig från kontroll av vätning eller vidhäftning till ytor, skapa kemisk resistens inom litografi, för sensorproduktion eller nanofabrication. Monoskikten kan också användas för att producera molekylär elektronik. Chiechi säger, "Elektrisk ström kommer att passera genom ett sådant monoskikt genom kvanttunnel. Och små modifieringar av molekylskiktet kan förändra tunnelsegenskaperna. Genom sådan kemisk skräddarsy, det är möjligt att skapa nya typer av elektronik. "

Dock, de mest använda tiolbaserade SAM:erna är känsliga för oxidation när de utsätts för luft. Utan skydd, de kommer inte att pågå en enda dag. "Det betyder att du behöver all slags utrustning för att hålla luften ute när du arbetar med dessa SAM för molekylär elektronik, "förklarar Chiechi." Det gör det också svårt att använda dem i ett biologiskt sammanhang. "

Funktionaliserade buckybollar

Det är här de nya buckyballbaserade SAM:erna kommer in. I en gemensam insats, forskare från Stratingh Institute for Chemistry och Zernike Institute for Advanced Materials vid University of Groningen har upptäckt och karakteriserat egenskaperna hos glykoleterfunktionaliserade fullerener. Buckybollarna fastnar på metallytor som är ännu starkare än tioler. Glykoletersvansarna är polära och i organiska lösningsmedel, detta inducerar bildandet av ett tvåskikt. "Du lägger helt enkelt metallen i en lösning av dessa funktionaliserade buckybollar och tvåskiktet kommer att bildas genom självmontering, "säger Chiechi. Dessutom, SAM -preparat på detta sätt är mycket resistenta mot oxidation:när de lämnas utsatta för luft, de kommer att förbli intakta i minst 30 dagar.

"Our results strongly suggest that the tails of the molecules are intertwined. This results in a stable and very dynamic structure where molecules are free to move, which is typical for a SAM, " says Chiechi. The outer layer can be replaced by adding other functionalized groups. Chiechi and his colleagues added spiropyrans (molecules that will change shape when exposed to UV light) connected to a glycol-ether tail. By placing an electrode on the outer layer, tunneling through the SAM was measured. The scientists showed that changing the shape of the spiropyran moiety with light also changed the conductance by several orders of magnitude.

Molecular electronics

There are other alternatives for thiol-based SAMs but they all have limitations. "We believe that our SAMs have all the properties of thiol-based SAMs, with resistance to degradation by air as a large bonus, " concludes Chiechi. "Furthermore, we have shown that our system can be used to create molecular electronics." And it also appears to be a very useful platform for studying the behavior of SAMs. "You can do this on your lab bench without any need for protection." Chiechi thinks that his system might be useful for studying the behavior of bilayers, including the lipid bilayers that form cell membranes.

The ability to change the composition of the SAMs opens up interesting applications in molecular electronics. Chiechi:"This might be used to create a topological computer architecture, for neuromorphic computing." Changes in the composition of the SAM could produce a memristor and possibly a system for stochastic computing, which uses the probabilities of 1s and 0s to represent numbers in a bitstream. "This could be represented by the fraction of one type of molecule in the SAM." Before this can become a reality, dock, more work will have to be done, till exempel, to understand why the glycol-ether phase is such an efficient tunneling medium.