Een nieuwe studie onder leiding van scheikundigen van de Urbana-Champaign van de Universiteit van Illinois brengt nieuw inzicht in de ontwikkeling van halfgeleidermaterialen die dingen kunnen doen die hun traditionele silicium-tegenhangers niet kunnen:de kracht van chiraliteit benutten, een niet-superponeerbaar spiegelbeeld.

Chiraliteit is een van de strategieën van de natuur die wordt gebruikt om complexiteit in structuren in te bouwen, waarbij de dubbele DNA-helix misschien wel het meest bekende voorbeeld is:twee molecuulketens verbonden door een moleculaire 'ruggengraat' en naar rechts gedraaid.

In de natuur geleiden chirale moleculen, net als eiwitten, elektriciteit zeer efficiënt door selectief elektronen met dezelfde spinrichting te transporteren.

Onderzoekers werken al tientallen jaren aan het nabootsen van de chiraliteit van de natuur in synthetische moleculen. Een nieuwe studie, geleid door hoogleraar chemische en biomoleculaire chemie Ying Diao, onderzoekt hoe goed verschillende modificaties van een niet-chiraal polymeer genaamd DPP-T4 kunnen worden gebruikt om chirale spiraalvormige structuren te vormen in op polymeer gebaseerde halfgeleidermaterialen.

Mogelijke toepassingen zijn onder meer zonnecellen die functioneren als bladeren, computers die kwantumtoestanden van elektronen gebruiken om efficiënter te berekenen en nieuwe beeldtechnieken die driedimensionale informatie vastleggen in plaats van 2D, om er maar een paar te noemen.

De bevindingen van het onderzoek worden gerapporteerd in het tijdschrift ACS Central Science .

"We begonnen met te denken dat het maken van kleine aanpassingen aan de structuur van het DPP-T4-molecuul - bereikt door het toevoegen of veranderen van de atomen die met de ruggengraat zijn verbonden - de torsie of draaiing van de structuur zou veranderen en chiraliteit zou veroorzaken, " zei Diao. "We ontdekten echter al snel dat de zaken niet zo eenvoudig waren."

Met behulp van röntgenverstrooiing en fantasie ontdekte het team dat hun "kleine aanpassingen" grote veranderingen in de fasen van het materiaal veroorzaakten.

"Wat we hebben waargenomen is een soort Goudlokje-effect," zei Diao. ‘Gewoonlijk assembleren de moleculen zich als een gedraaide draad, maar plotseling, wanneer we het molecuul tot een kritische torsie draaien, begonnen ze zich te assembleren tot nieuwe mesofasen in de vorm van vlakke platen of vellen. Door te testen hoe goed deze structuren konden buigen gepolariseerd licht – een test voor chiraliteit – waren we verrast toen we ontdekten dat de vellen ook kunnen verdraaien tot samenhangende chirale structuren."

De bevindingen van het team illustreren het feit dat niet alle polymeren zich op dezelfde manier zullen gedragen als ze worden aangepast in een poging het efficiënte elektronentransport in chirale structuren na te bootsen. De studie rapporteert dat het van cruciaal belang is om de complexe mesofasestructuren die gevormd worden om onbekende fasen te ontdekken die kunnen leiden tot ongekende optische, elektronische en mechanische eigenschappen niet over het hoofd te zien.

Meer informatie: Kyung Sun Park et al., Subtiele moleculaire veranderingen moduleren grotendeels chirale spiraalvormige assemblages van achirale geconjugeerde polymeren door de aggregatie van oplossingstoestanden af ​​te stemmen, ACS Central Science (2023). DOI:10.1021/acscentsci.3c00775

Journaalinformatie: ACS Centrale Wetenschap

Aangeboden door de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign