Chemici bij RIKEN hebben een methode ontwikkeld voor het maken van synthetische derivaten van de natuurlijke kleurstof indigo, waarbij geen zware omstandigheden nodig zijn. Deze ontdekking zou een impuls kunnen geven aan de vooruitgang op het gebied van elektronische apparaten, waaronder op licht reagerende gadgets en rekbare biomedische sensoren.

Halfgeleiders op basis van organische moleculen trekken veel belangstelling omdat ze – in tegenstelling tot conventionele stijve halfgeleiders op basis van silicium – flexibel, ductiel en licht van gewicht zouden kunnen zijn, wat nieuwe mogelijkheden opent voor het ontwerpen van halfgeleiderapparaten.

Organische moleculen hebben ook het voordeel dat ze een breed scala aan structuren kunnen realiseren. "Organische halfgeleiders hebben flexibiliteit in het moleculaire ontwerp, waardoor ze nieuwe functionaliteiten kunnen adopteren", zegt Keisuke Tajima van het RIKEN Center for Emergent Matter Science, die leiding gaf aan het onderzoek gepubliceerd in Chemical Science .

Om dit potentieel voor verbeterde elektronische functie door middel van moleculair ontwerp te onderzoeken, onderzochten Tajima en zijn team een ​​molecuul gerelateerd aan indigo, genaamd 3,3-dihydroxy-2,2-biindan-1,1-dion (BIT). "Dit project begon met een simpele vraag:kunnen protonen en elektronen samen in de vaste toestand bewegen?" zegt Tajima.

Proton-gekoppelde elektronenoverdracht – waarbij de beweging van elektronen is gekoppeld aan die van protonen – wordt vaak als cruciaal beschouwd voor het realiseren van efficiënte elektronenoverdracht in biologische systemen. Als het kan worden ingebouwd in organische vaste materialen, kan dit leiden tot halfgeleiders met unieke dynamische eigenschappen. Tot nu toe is er echter geen vastestofmateriaal aangetoond dat proton-gekoppelde elektronenoverdracht vertoont.

Tajima en zijn team hebben nu ontdekt dat BIT en zijn derivaten ongebruikelijke herschikkingen in hun structuren ondergaan, waarbij dubbele protonoverdracht betrokken is, waardoor ze unieke mogelijkheden krijgen als elektronische functionele materialen.

Tajima identificeerde BIT en zijn derivaten als veelbelovende materialen voor proton-gekoppelde elektronenoverdracht in vaste toestand, omdat het molecuul twee protonen bevat die ideaal gepositioneerd lijken om tijdens elektronenoverdracht van de ene positie naar de andere te springen.

Tot nu toe vereiste het maken van BIT zware omstandigheden die de reeks derivaten die gemaakt konden worden ernstig beperkten. Leden van het team ontwikkelden een benadering op kamertemperatuur die de synthese van verschillende BIT-derivaten onder veel mildere omstandigheden mogelijk maakte.

Met BIT-derivaten in de hand onderzocht het team de eigenschappen van de moleculen. "Het moeilijkste deel was om te bewijzen dat de protonen in BIT protonenoverdracht ondergaan tussen moleculen in de vaste toestand", zegt Tajima. In samenwerking met RIKEN-experts op het gebied van röntgenkristallografie en solid-state nucleaire magnetische resonantie (NMR) heeft het team aangetoond dat de twee protonen snel van positie wisselen.

Berekeningen suggereren dat protonenoverdracht inderdaad gepaard gaat met ladingstransport; Het volgende doel van het team is om deze koppeling experimenteel te bevestigen. "We weten niet of de aanwezigheid van een proton het ladingstransport zal verbeteren, maar als fundamentele natuurkunde zou het interessante wegen kunnen openen", zegt Tajima.

Meer informatie: Kyohei Nakano et al, Synthese van 3,3′-dihydroxy-2,2′-diindan-1,1′-dionderivaten voor tautomere organische halfgeleiders die intramoleculaire dubbele protonoverdracht vertonen, Chemische Wetenschap (2023). DOI:10.1039/D3SC04125E

Aangeboden door RIKEN