Een team van wetenschappers van het Tyndall National Institute van University College Cork en de National University of Singapore heeft ultrakleine apparaten ontworpen en gefabriceerd voor energiezuinige elektronica. Door uit te zoeken hoe moleculen zich in deze apparaten gedragen, een tienvoudige toename van de schakelefficiëntie werd verkregen door slechts één koolstofatoom te veranderen. Deze apparaten kunnen nieuwe manieren bieden om oververhitting van mobiele telefoons en laptops te bestrijden, en kan ook helpen bij elektrische stimulatie van weefselherstel voor wondgenezing. De baanbrekende creatie van moleculaire apparaten met zeer controleerbare elektrische eigenschappen zal verschijnen in het februarinummer van Natuur Nanotechnologie . Dr. Damien Thompson van het Tyndall National Institute, UCC en een team van onderzoekers van de National University of Singapore onder leiding van prof. Chris Nijhuis ontwierpen en creëerden de apparaten, die zijn gebaseerd op moleculen die werken als elektrische kleppen, of diodegelijkrichters.

Dr. Thompson legt uit:"Deze moleculen zijn erg nuttig omdat ze stroom door de moleculen laten vloeien wanneer ze worden ingeschakeld en de stroom blokkeren wanneer ze worden uitgeschakeld. De resultaten van het onderzoek tonen aan dat het eenvoudigweg toevoegen van één extra koolstof voldoende is om de prestaties van het apparaat te verbeteren met meer meer dan een factor 10. Op basis van deze resultaten volgen we tal van nieuwe ideeën op, en we hopen uiteindelijk een reeks nieuwe componenten voor elektronische apparaten te maken. " Dr. Thompson's computersimulaties op atoomniveau lieten zien hoe moleculen met een oneven aantal koolstofatomen rechter staan ​​dan moleculen met een even aantal koolstofatomen. Hierdoor kunnen ze Dicht opeengepakte assemblages van deze moleculen werden gevormd op metalen elektrode-oppervlakken door de Nijhuis-groep in Singapore en bleken opmerkelijk vrij van defecten te zijn. Deze hoogwaardige apparaten kunnen lekstromen onderdrukken en zo efficiënt en betrouwbaar werken. apparaat kan puur op basis van de lading en vorm van de moleculen netjes worden in- en uitgeschakeld, net als in de biologische nanomachines die de fotosynthese regelen, celdeling en weefselgroei.

Tyndall Electronic Theory Group leider prof. Jim Greer legt uit:"Moderne elektronische apparaten zoals telefoons en tablets die tegenwoordig worden vervaardigd, zijn afhankelijk van kleine schakelaars die de moleculaire grootte benaderen. Dit biedt nieuwe uitdagingen voor elektronica, maar biedt spannende mogelijkheden voor het mengen van moleculaire eigenschappen die Het werk van Dr. Thompson is een opwindende nieuwe weg om moleculair ontwerp te benutten om nieuwe manieren te vinden om informatieverwerking uit te voeren." Een belangrijke functie voor elektronica op nanoschaal is de mogelijkheid om moleculen als gelijkrichters en schakelaars te gebruiken. Door het rationele ontwerp van moleculen te demonstreren die stroom gelijkrichten met een grote en zeer reproduceerbare AAN/UIT-verhouding, de studie biedt een belangrijke vooruitgang in de richting van de creatie van technologisch levensvatbare ultrakleine apparaatcomponenten. Vijftigduizend gelijkrichtermoleculen die van begin tot eind zijn geregen, zouden over de diameter van een mensenhaar passen. Vooruitgang in computergebruik, synthese en karakterisering betekent dat wetenschappers nu materiaal op de schaal van atomen en moleculen kunnen begrijpen en beheersen.

De studie werd aan Ierse zijde gefinancierd door een Science Foundation Ireland Starting Investigator award voor Dr. Thompson. De computersimulaties zijn uitgevoerd op door de Science Foundation Ireland ondersteunde computerclusters in Tyndall en in het Irish Centre for High End Computing. De gecombineerde experimenten en simulaties laten voor het eerst zien dat minieme verbeteringen in molecuuloriëntatie en pakking veranderingen in Van der Waals-krachten veroorzaken die groot genoeg zijn om de prestaties van elektronische apparaten drastisch te verbeteren. Dr. Thompson legt uit:"Deze van der Waals-krachten zijn de zwakste van alle intermoleculaire krachten en worden alleen significant wanneer ze worden opgeteld over grote gebieden. tot nu toe, het merendeel van het onderzoek naar ultrakleine apparaten heeft sterkere "pi-pi" -interacties gebruikt om moleculen aan elkaar te plakken, en heeft de veel zwakkere genegeerd, maar alomtegenwoordig, van der Waals interacties. De huidige studie laat zien hoe van der Waals effecten, die aanwezig zijn in elk denkbaar apparaat op moleculaire schaal, kan worden afgestemd om de prestaties van het apparaat te optimaliseren."

De apparaten zijn gebaseerd op moleculen die als diodes werken door er stroom doorheen te laten gaan wanneer ze met voorwaartse voorspanning worden gebruikt en stroom blokkeren wanneer de voorspanning wordt omgekeerd. Moleculaire gelijkrichters werden voor het eerst voorgesteld in 1974, en de vooruitgang in wetenschappelijke informatica heeft het de afgelopen tien jaar mogelijk gemaakt om ontwerpen op moleculair niveau te gebruiken om nieuwe organische materialen te ontwikkelen die betere elektrische reacties bieden. Echter, het relatieve belang van de interacties tussen de moleculen, de aard van het molecuul-metaalcontact en de invloed van omgevingseffecten zijn in twijfel getrokken. Dit nieuwe onderzoek toont aan dat dramatische verbeteringen in de prestaties van het apparaat kunnen worden bereikt door de van der Waals-krachten te beheersen die de moleculen samenpakken. Het eenvoudigweg veranderen van het aantal koolstofatomen met één zorgt voor aanzienlijk stabielere en meer reproduceerbare apparaten die een orde van grootte verbetering in de AAN/UIT-verhouding vertonen. De onderzoeksresultaten tonen de haalbaarheid aan van het verbeteren van de apparaatprestaties door strakkere afdichtingen tussen moleculen te creëren.

"De ontwikkeling van elektronica op moleculaire schaal is sterk afhankelijk van simulatie en high performance computing", merkte prof. Greer op. "De voortdurende steun voor onderzoeksinfrastructuur in Ierland zorgt voor de wetenschappelijke vooruitgang die leidt tot een betere interactie met wereldleiders in de industrie, en positioneert Ierland als een belangrijke leverancier van onderzoek met impact."