Ein Schritt näher zur Verwirklichung von elektronischen Einzelmolekül-Geräten
Molekulare Drähte werden als Bausteine für molekulare elektronische Vorrichtungen in Betracht gezogen und sollen verschiedene Teile einer molekularen elektrischen Schaltung verbinden. Das Anbringen der Enden der Moleküle an die Elektroden, so dass die Elektronen frei in den Draht und wieder raus fließen können, ist eines der größten Probleme, die Forscher beim Versuch, zuverlässige und reproduzierbare elektrische Kontakte zu schaffen, bewältigen müssen. Die Verankerung von Molekülen an den Elektroden ist eine Möglichkeit, einen guten elektrischen Kontakt herzustellen. Die richtige Wahl von chemischen Gruppen zur Herstellung der Verbindung bestimmt die Stabilität und die elektrischen Eigenschaften von Einzelmolekül-Geräten. Im Rahmen des Projekts SINGLE-MOLEC-SWITCH (Developing single-molecule switches for applications in nanoscale organic devices) gelang den Wissenschaftlern die Bildung stabiler molekularer Kontakte mit Kontaktgruppen, die zum ersten Mal verwendet wurden (1-Alkinen). Die Ergebnisse zeigten, dass Alkin-Gruppen stabil sind und eine hohe Affinität zu Gold aufweisen. Dies eröffnet Möglichkeiten für weitere Untersuchungen des Einzelmolekültransports auf elektronischen Halbleiter-Plattformen. Mit dem Einsatz verschiedener Typen an Halbleiterelektroden und Dotierung konnte der Ladungstransport über die Verbindungsstellen gesteuert werden. Die Wissenschaftler stellten ein neues Konzept zur Bildung hocheffizienter elektrischer Einzelmolekülkontakte durch Ausnutzung von Koordinationskomplexen vor. Statt teure und zeitraubende Methoden zur Modifizierung von Porphyrin-Molekülen zu verwenden, funktionalisierte das Team zwei Elektroden mit Pyridin-Liganden, die an das Porphyrin-Metallzentrum binden. Ergebnis war eine neue flache Konfiguration von Porphyrin-Molekülen, die eine Einzelmolekülverbindung von sehr langer Lebensdauer und hoher Leitfähigkeit bilden. Die kontrollierte Manipulation einzelner Moleküle ist für den Entwurf von nanoskaligen Schaltungen unbedingt erforderlich. Die Wissenschaftler synthetisierten mit Erfolg einen einzigartigen Photonikschalter auf Grundlage von Spiropyran, das für seine photochromen Eigenschaften bekannt ist. Dieser molekulare Schalter konnte durch Lichtbestrahlung reversibel zwischen seiner konjugierten Form und dem Grundzustand verschoben werden. Darüber hinaus ist er der erste Einzelmolekülschalter, der nicht nur durch Licht, sondern auch durch eine Kombination von anderen äußeren Einflüssen zwischen zwei Zuständen verschoben werden konnte. Ferner konnte die Reaktion einzelner molekularer Drähte mithilfe von elektrischen Feldern beschleunigt werden (2016 Nature, 531, 88-91). Das ist der erste experimentelle Nachweis von elektrischen Feldern, die Nicht-Redoxreaktionen auf Einzelmolekülebene katalysieren. Steuerbare Moleküle, die zuverlässige elektrische Kontakte bilden, werden eines Tages die nächsten elektronischen Bausteine darstellen und aktuelle Schaltungselemente in Mikrogröße ersetzen. Winzige molekulare Schaltkreise werden die Kosten und die Größe von elektronischen Bauelementen reduzieren, was zu einer revolutionären Technologie führen und Umwelt und Gesundheit zugutekommen wird. Analysegeräte für die Früherkennung von schädlichen Chemikalien und biologischen Markern, die den Ausbruch von Erkrankungen anzeigen, sind nur einige der wenigen spannenden Anwendungen für die molekulare Elektronik.
Schlüsselbegriffe
Einzelmolekül, elektronische Geräte, nanoskalig, molekulare Schalter, SINGLE-MOLEC-SWITCH