Onderzoekers van het Instituut voor Organische Chemie en Biochemie van het CAS (IOCB Praag) en institutionele medewerkers hebben voor het eerst een piëzo-elektrisch effect met één molecuul aangetoond. De studie, gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society , vertegenwoordigt een doorbraak in het begrijpen van het elektromechanische gedrag van individuele moleculen en biedt een nieuw concept voor het ontwerp van moleculaire motoren, sensoren en elektriciteitsopwekkers op nanoschaal.

Het piëzo-elektrische effect komt naar voren in sommige materialen waarin de mechanische en elektrische eigenschappen zijn gekoppeld. Ofwel kan het elektrische veld worden gegenereerd als er een mechanische spanning wordt uitgeoefend (direct piëzo-elektrisch effect) of, omgekeerd, de mechanische vervorming kan optreden als het elektrische veld wordt aangelegd (converse piëzo-elektrisch effect).

Deze effecten hebben tal van praktische toepassingen in de automobielindustrie, smartphone, computer, medische en militaire industrie. Het piëzo-elektrisch effect wordt gebruikt in smartphones, microfoons, aanstekers, airbag systemen, sonars en scanning microscopen. Echter, het piëzo-elektrische effect van één molecuul, wat essentieel is voor toekomstige elektromechanische moleculaire apparaten, is tot nu toe ongrijpbaar gebleven.

"In nauwe samenwerking met natuurkundigen, voor het eerst werd bewezen dat een sterk omgekeerd piëzo-elektrisch effect kan worden waargenomen bij individuele moleculen van het heptaheliceenderivaat, wat een schroefachtig koolstofmolecuul is dat op een veer lijkt, " zei Ivo Starý, de leider van de groep chemici bij IOCB Praag die de verbinding voorbereidt.

Het effect werd experimenteel aangetoond door de groep natuurkundigen van IP CAS bij individuele moleculen op een zilveren oppervlak met behulp van scanning probe microscopie. De groepsleider Pavel Jelínek zegt:"De grootte van de piëzo-elektrische constante berekend op basis van de experimentele gegevens is aanzienlijk hoger dan die van bekende piëzo-elektrische polymeren en is vergelijkbaar met de groottes gemeten bij sommige anorganische materialen zoals zinkoxide. Bovendien, we hebben de oorsprong van het piëzo-elektrische effect van één molecuul verklaard door gebruik te maken van kwantummechanica-berekeningen."

Hoe werkt het omgekeerde piëzo-elektrische effect op nanoschaal? Het schroefachtige molecuul met een binnenste dipool strekt zich uit of knijpt zichzelf, afhankelijk van de sterkte en polariteit van het buitenste elektrische veld. Het ontstaat door een spanningsvoorspanning toe te passen tussen het zilveren kussen en de atomair scherpe punt van de scanningmicroscoop die zich boven het bestudeerde molecuul bevindt. Omdat de verandering in een molecuulhoogte uiterst nauwkeurig kan worden gevolgd, het is mogelijk om de vervorming van een molecuul te zien die wordt veroorzaakt door het elektrische veld. Zo'n koppeling van de mechanische beweging van een molecuul en de verandering in elektrisch veld, die in theorie wederkerig is, vertegenwoordigt een toegang tot de wereld van moleculen die mechanisch werk doen, evenals moleculaire nanogeneratoren van elektrische energie.