Kan långdistansinteraktioner mellan enskilda molekyler skapa ett nytt sätt att beräkna?

Interaktioner mellan enskilda molekyler på en metallyta sträcker sig över förvånansvärt stora avstånd - upp till flera nanometer.

En ny studie, precis publicerat, av den förändrade formen av elektroniska tillstånd som induceras av dessa interaktioner, har potentiell framtida tillämpning vid användning av molekyler som individuellt adresserbara enheter.

Till exempel, i en framtida dator baserad på denna teknik, tillståndet för varje enskild molekyl kan kontrolleras, spegling av binär drift av transistorer vid strömberäkning.

Mätning av socialt avlägsna molekylära interaktioner på en metallyta

Samarbetet mellan Monash och University of Melbourne studerade de elektroniska egenskaperna hos magnesiumftalocyanin (MgPc) sprinklad på en metallyta.

MgPc liknar klorofyllet som ansvarar för fotosyntesen.

Genom att vara försiktig, atomärt exakta mätningar av skanningssondmikroskopi, forskarna visade att de kvantmekaniska egenskaperna hos elektroner i molekylerna – nämligen deras energi och rumsliga fördelning – påverkas avsevärt av närvaron av angränsande molekyler.

Denna effekt – där den underliggande metallytan spelar en nyckelroll – observeras för intermolekylära separationsavstånd på flera nanometer, betydligt större än förväntat för denna typ av intermolekylär interaktion.

Dessa insikter förväntas informera och driva framsteg i utvecklingen av elektroniska och optoelektroniska solid state-teknologier byggda av molekyler, 2D-material och hybridgränssnitt.

Direkt observera förändringar i molekylär orbitalsymmetri och energi

Ftalocyanin (Pc) 'fyrklöverliganden', när den är dekorerad med en magnesium (Mg) atom i dess centrum, är en del av klorofyllpigmentet som ansvarar för fotosyntesen i bioorganismer.

Metall-ftalocyaniner är exemplariska för avstämning av deras elektroniska egenskaper genom att byta ut den centrala metallatomen och perifera funktionella grupper, och deras förmåga att självmontera i högt ordnade enkla lager och nanostrukturer.

Spetsmätningar med skanningssondmikroskopi avslöjade en överraskande lång räckvidd interaktion mellan MgPc-molekyler adsorberade på en metallyta.

Kvantitativ analys av de experimentella resultaten och teoretisk modellering visade att denna interaktion berodde på blandning mellan de kvantmekaniska orbitalerna - som bestämmer den rumsliga fördelningen av elektroner inom molekylen - av angränsande molekyler. Denna molekylära orbitalblandning leder till betydande förändringar i elektronenergier och elektronfördelningssymmetrier.

Det långa intervallet för den intermolekylära interaktionen är resultatet av adsorptionen av molekylen på metallytan, som "sprider" fördelningen av molekylens elektroner.

"Vi var tvungna att driva vårt skanningssondmikroskop till nya gränser när det gäller rumslig upplösning och komplexiteten för datainsamling och analys, säger huvudförfattaren och FLEET-medlemmen Dr. Marina Castelli.

"Det var en stor förändring i tänkandet att kvantifiera den intermolekylära interaktionen ur synpunkten av symmetrier av rumslig distribution av elektroner, istället för typiska spektroskopiska förändringar i energi, vilket kan vara mer subtilt och missvisande. Detta var nyckelinsikten som fick oss till mållinjen, och även varför vi tror att denna effekt inte observerades tidigare."

"Viktigt, den utmärkta kvantitativa överensstämmelsen mellan experiment och atomistisk DFT-teori bekräftade närvaron av långväga interaktioner, ger oss stort förtroende för våra slutsatser, " säger samarbetspartnern Dr. Muhammad Usman från University of Melbourne.

Resultaten av denna studie kan ha stora implikationer i utvecklingen av framtida elektroniska och optoelektroniska teknologier i fast tillstånd baserade på organiska molekyler, 2D-material och hybridgränssnitt.