(PhysOrg.com) -- Nieuw onderzoek maakt de weg vrij voor zelfassemblage op nanoschaal van organische bouwstenen, een veelbelovende nieuwe route naar de volgende generatie ultrakleine elektronische apparaten.

Ringachtige moleculen met ongewone vijfvoudige symmetrie binden sterk aan een koperoppervlak, als gevolg van een aanzienlijke overdracht van kosten, maar opmerkelijk weinig moeite hebben met zijwaartse diffusie, en vertonen verrassend weinig interactie tussen naburige moleculen. Deze ongekende combinatie van eigenschappen is ideaal voor het spontaan creëren van stabiele dunne films met een hoge dichtheid, bestaande uit een bestrating van deze organische vijfhoekige tegels, met mogelijke toepassingen in de informatica, zonne-energie en nieuwe weergavetechnologieën.

Momenteel, commerciële elektronica hanteert een top-down benadering, met het wegfrezen of wegetsen van anorganisch materiaal, zoals silicium, om een ​​apparaat kleiner te maken. Gedurende vele jaren verdubbelt de rekenkracht van een gegeven computerchip elke achttien maanden (een fenomeen dat bekend staat als de wet van Moore), maar een limiet in deze groei wordt snel verwacht. Tegelijkertijd, de efficiëntie van het koppelen van elektronische componenten aan inkomend of uitgaand licht (hetzij bij de opwekking van elektriciteit uit zonlicht, of bij de opwekking van licht uit elektriciteit in flatscreens en verlichting) wordt ook fundamenteel beperkt door de ontwikkeling van fabricagetechnieken op nanometerschaal.

Onderzoekers zoeken daarom naar ingenieuze oplossingen bij het maken van steeds kleinere elektronica. Het gebied van nanotechnologie volgt een bottom-upbenadering van het maken van elektronica met behulp van natuurlijk zelfassemblerende organische componenten, zoals polymeren, die in staat zullen zijn om spontaan apparaten te vormen met de gewenste elektronische of optische kenmerken.

De laatste bevindingen zijn afkomstig van wetenschappers van de Universiteit van Cambridge en Rutgers University die werken aan de ontwikkeling van nieuwe klassen van organische dunne films op oppervlakken. Door de fundamentele krachten te bestuderen die spelen in zelfassemblerende dunne films, ze ontwikkelen de kennis waarmee ze deze films kunnen afstemmen op organisch-elektronische apparaten op moleculaire schaal, het creëren van kleinere componenten dan ooit mogelijk zou zijn met conventionele fabricagetechnieken.

Dokter Holly Hedgeland, van het departement Natuurkunde aan de Universiteit van Cambridge, een van de co-auteurs van het artikel dat verslag doet van het onderzoek, zei:"Met de halfgeleiderindustrie die momenteel naar schatting $ 249 miljard per jaar waard is, is er een duidelijke motivatie voor een moleculaire schaal van begrip van innovatieve technologieën die de technologieën die we vandaag gebruiken zouden kunnen vervangen."

Het zijn niet alleen de elektronische eigenschappen van een molecuul op een oppervlak die het potentieel ervan om deel uit te maken van een apparaat bepalen, maar ook of het vanzelf in de vereiste structurele configuratie zal bewegen en in die positie stabiel zal blijven, zelfs als het apparaat tijdens gebruik verwarmd wordt.

Moleculen die sterk aan het substraat gebonden zijn met een hoge mate van ladingsoverdracht bieden een scala aan nieuwe mogelijkheden, hoewel er momenteel weinig bekend is over hun gedrag. Een aantal organische moleculen, meestal met koolstofringen waarover elektronische lading kan geleiden, mogelijk de juiste elektronische eigenschappen aantonen, maar de langeafstandskrachten die hun zelfassemblage tijdens de eerste groeifasen zullen beheersen, blijven vaak een mysterie.

Nu is het interdisciplinaire team gevestigd in de departementen Natuurkunde en Scheikunde van de Universiteit van Cambridge, en de afdeling Scheikunde en Chemische Biologie aan de Rutgers University, hebben de eerste dynamische metingen gerapporteerd voor een nieuwe klasse van organische dunne film waarbij cyclopentadienylmoleculen (C5H5) significante elektronische lading van het oppervlak ontvangen, maar diffunderen gemakkelijk over het oppervlak en vertonen interacties met elkaar die veel zwakker zijn dan normaal zou worden verwacht voor de hoeveelheid overgedragen lading.

Hedgeland legde uit:"Door de experimentele helium-spin-echotechniek te koppelen aan geavanceerde eerste-principeberekeningen, konden we het dynamische gedrag van een cyclopentendienyllaag op een koperoppervlak bestuderen, en om af te leiden dat de ladingsoverdracht tussen het metaal en het organische molecuul op een contra-intuïtieve manier plaatsvond."

Dokter Marco Sacchi, van de afdeling Scheikunde aan de Universiteit van Cambridge, die de berekeningen uitvoerde die hielpen bij het verklaren van de verrassende nieuwe experimentele resultaten, zei dat "de sleutel tot het unieke gedrag van cyclopentadienyl ligt in zijn vijfhoekige (vijfvoudige) symmetrie, die voorkomt dat het op een plaats binnen de driehoekige (drievoudige) symmetrie van het koperoppervlak vastklikt door middel van directionele covalente bindingen, het vrij laten om gemakkelijk van site naar site te gaan; tegelijkertijd, de interne elektronische structuur is slechts één elektron te kort voor een extreem stabiele 'aromatische' configuratie, het stimuleren van een hoge mate van ladingsoverdracht van het oppervlak en het creëren van een sterke niet-directionele ionische binding."

De bevindingen van de onderzoekers, gemeld in Fysieke beoordelingsbrieven vandaag, vrijdag 06 mei, het potentieel van een nieuwe categorie moleculair adsorbaat benadrukken, die zou kunnen voldoen aan alle criteria die nodig zijn voor een nuttige toepassing.

Hedgeland concludeerde:"Het ongebruikelijke karakter van de ladingsoverdracht voorkomt in dit geval de grote afstotende interacties tussen aangrenzende moleculen die anders zouden zijn verwacht, en zou daarom de vorming van films met een ongewoon hoge dichtheid mogelijk moeten maken. Tegelijkertijd, de moleculen blijven zeer mobiel en toch sterk aan het oppervlak gebonden, met een grote mate van thermische stabiliteit. In alles, dit is een combinatie van fysieke eigenschappen die een enorm potentieel voordeel biedt voor de ontwikkeling van nieuwe klassen van zelf-geassembleerde organische films die relevant zijn voor technologische toepassingen."