Moleculen worden meestal gevormd in reactievaten of laboratoriumkolven. Een onderzoeksteam van Empa is er nu in geslaagd moleculen te produceren tussen twee microscopisch kleine, beweegbare gouden tips - in zekere zin als een "handgebreid" uniek exemplaar. De eigenschappen van de moleculen kunnen realtime worden gevolgd terwijl ze worden geproduceerd. De onderzoeksresultaten zijn zojuist gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

De fabricage van elektronische componenten volgt meestal een top-down traject in gespecialiseerde fysieke laboratoria. Met behulp van speciale snijgereedschappen in cleanrooms, wetenschappers zijn in staat structuren te fabriceren die slechts enkele nanometers bereiken. Echter, atomaire precisie blijft een grote uitdaging en vereist meestal speciale microscopen zoals een Atomic Force Microscope (AFM) of een Scanning Tunneling Microscope (STM). Chemici daarentegen bereiken routinematig een hoogstandje:ze kunnen grote aantallen moleculen synthetiseren die allemaal precies identiek zijn. Maar het synthetiseren van een enkel molecuul met atomaire precisie en het monitoren van dit assemblageproces blijft een enorme uitdaging.

Een onderzoeksteam van Empa, de Universiteit van Basel en de Universiteit van Oviedo zijn daar nu in geslaagd:de onderzoekers synthetiseerden kettingvormige moleculen tussen twee microscopisch kleine gouden tips. Elk molecuul wordt afzonderlijk gemaakt. De eigenschappen van het resulterende molecuul kunnen tijdens de synthese in realtime worden gevolgd en gedocumenteerd.

Microfabriek tussen gouden tips

Anton Vladyka, Jan Overbeck en Mickael Perrin werken in het laboratorium "Transport at Nanoscale Interfaces" van Empa, onder leiding van Michel Calame. Voor hun experimenten ze gebruikten een techniek die mechanisch regelbare breekjunctie (MCBJ) wordt genoemd. Een gouden brug van slechts enkele nanometers dun wordt langzaam uitgerekt in een reagensoplossing tot hij breekt. Individuele moleculen kunnen zich hechten aan de breukpunten van de nanobrug en chemische reacties ondergaan.

Empa-onderzoekers doopten de gouden tips in een oplossing van 1, 4-diisocyanobenzeen (DICB), een molecuul met sterke elektrische dipolen aan beide uiteinden. Deze sterk geladen uiteinden binden zich gemakkelijk met goudatomen. Het resultaat:als de brug uit elkaar wordt gescheurd, een DICB-molecuul maakt individuele goudatomen los van het contact en bouwt zo een moleculaire keten op. Elk DICB-molecuul wordt gevolgd door een goudatoom, gevolgd door een ander DICB-molecuul, een gouden atoom, enzovoort.

Opmerkelijk, de moleculaire assemblage was niet afhankelijk van toevalligheden, maar werkte zeer reproduceerbaar - zelfs bij kamertemperatuur. De onderzoekers hebben de gouden brug herhaaldelijk geopend en gesloten om het proces beter te begrijpen. In 99 van de 100 proeven werden identieke moleculaire ketens van goud en DICB gevormd. Door de elektrische geleidbaarheid tussen de gouden contacten te monitoren konden de onderzoekers zelfs de lengte van de ketting bepalen. Er kunnen maximaal drie kettingschakels worden gedetecteerd. Als er vier of meer kettingschakels worden gevormd, de geleidbaarheid is te laag en het molecuul blijft tijdens dit experiment onzichtbaar.

Deze nieuwe methode stelt onderzoekers in staat om elektrisch geleidende moleculen te produceren als unieke exemplaren en deze te karakteriseren met behulp van verschillende methoden. Dit opent geheel nieuwe mogelijkheden om de elektrische eigenschappen van individuele moleculen direct ("in situ") te veranderen en met atomaire precisie aan te passen. Dit wordt beschouwd als een cruciale stap in de richting van de verdere miniaturisering van elektronische componenten. Tegelijkertijd, het biedt diepgaande inzichten in transportprocessen op atomair niveau. "Om nieuwe eigenschappen in moleculaire samenstellingen te ontdekken, we moeten deze moleculaire structuren eerst reproduceerbaar kunnen bouwen, ", zegt Michel Calame. "Dit is precies wat we nu hebben bereikt."