Verdrillte molekulare Drähte weisen eine hohe Einzelmolekülleitfähigkeit auf

Von den Hochspannungskabeln, die Strom über weite Strecken transportieren, bis hin zu den Wolframfäden in unseren Glühlampen haben wir uns möglicherweise an den Gedanken gewöhnt, dass elektrische Leiter immer aus Metall bestehen. Doch seit Jahrzehnten arbeiten Wissenschaftler an fortschrittlichen Materialien, die auf Ketten aus kohlenstoffbasierten Oligomeren basieren, die auch Elektrizität leiten können. Dazu gehören organische Elektrolumineszenzgeräte, die in einigen modernen Smartphones und Computern zu finden sind.

In der Quantenmechanik sind Elektronen nicht einfach Punktteilchen mit definierten Positionen, sondern können über eine Region „delokalisieren“. Ein Molekül mit einer langen Abfolge abwechselnder Einfach- und Doppelbindungen soll eine Pi-Konjugation haben, und leitfähige Polymere funktionieren, indem sie es delokalisierten Elektronen ermöglichen, zwischen Pi-konjugierten Bereichen zu springen, ähnlich wie ein Frosch zwischen Pfützen benachbarten Wassers springt.

Die Wirksamkeit dieses Prozesses wird jedoch durch die Unterschiede im Energieniveau benachbarter Regionen begrenzt. Die Herstellung von Oligomeren und Polymeren mit gleichmäßigeren Energieniveaus kann zu einer höheren elektrischen Leitfähigkeit führen, die für die Entwicklung neuer praktischer organischer elektronischer Komponenten oder sogar einzelner Moleküldrähte erforderlich ist.

Allerdings geht aus einer Studie hervor, die in veröffentlicht wurde Zeitschrift der American Chemical SocietyForscher am SANKEN (Institut für wissenschaftliche und industrielle Forschung) an der Universität Osaka haben mehrere nanoskalige molekulare Drähte mit periodischen Drehungen hergestellt.

Im Vergleich zu früheren Versuchen, bei denen eine lange Kette verwendet wurde, die sich zufällig drehen konnte, bestanden diese Oligomere aus starren, verschmolzenen Regionen, die durch gleichmäßig verteilte Drehungen getrennt waren. Die Forscher zeigten, dass ihre Proben eine höhere Leitfähigkeit aufwiesen als unkondensierte Oligothiophene.

„Durch sorgfältige Kontrolle der Größe dieser pi-konjugierten Regionen wurde in diesen Oligomeren mithilfe starrer Molekülstrukturen eine hohe einzigartige molekulare Leitfähigkeit erreicht“, erklärt Ryo Asakawa, Hauptautor der Studie.

Die Forscher hoffen, dass diese Methode auf die Herstellung neuer organischer elektronischer Geräte angewendet werden kann, die im Vergleich zu herkömmlichen siliziumbasierten Methoden, für deren Herstellung häufig spezielle Reinräume erforderlich sind, kostengünstig als dünne chemische Filme auf flexiblen Substraten hergestellt werden können Lithografie.

„Wir hoffen, dass diese Forschung zu besseren elektronischen Einzelmolekül- und organischen Dünnschichtgeräten führen wird“, sagt Hauptautor Yutaka Ie. Einzelne molekulare Drähte könnten sogar als biokompatible Sensoren in lebenden Zellen eingesetzt werden.