Wetenschappers zijn getrouwd met twee onconventionele vormen van koolstof - een in de vorm van een voetbal, de andere een kleine diamant - om een ​​molecuul te maken dat elektriciteit maar in één richting geleidt. Dit kleine elektronische onderdeel, bekend als een gelijkrichter, zou een sleutelrol kunnen spelen bij het verkleinen van chipcomponenten tot de grootte van moleculen om snellere, krachtigere apparaten.

"We wilden zien welke nieuwe, opkomende eigenschappen kunnen naar voren komen wanneer u deze twee ingrediënten samenvoegt om een ​​'buckydiamondoid, '" zei Hari Manoharan van het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy. "Wat we kregen was in feite een eenrichtingsklep voor het geleiden van elektriciteit - duidelijk meer dan de som van zijn onderdelen."

Het onderzoeksteam, waaronder wetenschappers van Stanford University, België, Duitsland en Oekraïne, rapporteerde zijn resultaten op 9 september 2014 in Natuurcommunicatie .

Twee ongebruikelijke koolstofkarakters ontmoeten elkaar

Veel elektronische circuits hebben drie basiscomponenten:een materiaal dat elektronen geleidt; gelijkrichters, die gewoonlijk de vorm aannemen van diodes, om die stroom in één richting te sturen; en transistors om de stroom aan en uit te zetten. Wetenschappers combineerden twee ongebruikelijke ingrediënten - buckyballs en diamantoïden - om de nieuwe diode-achtige component te creëren.

Buckyballs - een afkorting van buckminsterfullerenen - zijn holle koolstofbollen waarvan de ontdekking in 1985 drie wetenschappers een Nobelprijs voor scheikunde opleverde. Diamondoids zijn kleine koolstofkooien die aan elkaar zijn gebonden zoals ze zijn in diamanten, maar met een gewicht van minder dan een miljardste van een miljardste karaat. Beide zijn onderwerpen van veel onderzoek gericht op het begrijpen van hun eigenschappen en het vinden van manieren om ze te gebruiken.

In 2007, een team onder leiding van onderzoekers van SLAC en Stanford ontdekte dat een enkele laag diamantoïden op een metalen oppervlak efficiënt een bundel elektronen kan uitzenden. Manoharan en zijn collega's vroegen zich af:wat zou er gebeuren als ze een elektronenemitterende diamandoïde zouden koppelen aan een ander molecuul dat graag elektronen vastpakt? Buckyballs zijn precies dat soort elektronengrijpende moleculen.

Een zeer kleine klep voor het kanaliseren van de elektronenstroom

Voor deze studie is diamantoïden werden geproduceerd in het SLAC-laboratorium van SIMES-onderzoekers Jeremy Dahl en Robert Carlson, die wereldexperts zijn in het extraheren van de kleine diamanten uit aardolie. Daarna werden ze naar Duitsland verscheept, waar scheikundigen van de Justus-Liebig Universiteit uitvonden hoe ze aan buckyballs konden worden bevestigd.

De resulterende buckydiamondoïden, die slechts enkele nanometers lang zijn, werden getest in SIMES-laboratoria in Stanford. Een team onder leiding van afgestudeerde student Jason Randel en postdoctoraal onderzoeker Francis Niestemski gebruikte een scanning tunneling-microscoop om afbeeldingen van de hybride moleculen te maken en hun elektronische gedrag te meten. Ze ontdekten dat de hybride een uitstekende gelijkrichter is:de elektrische stroom die door het molecuul vloeide, was tot 50 keer sterker in één richting, van elektronenspugende diamandoïde tot elektronenvangende buckyball, dan in de tegenovergestelde richting. Dit is iets dat geen van beide componenten op zichzelf kan doen.

Hoewel dit niet de eerste moleculaire gelijkrichter is die ooit is uitgevonden, het is de eerste gemaakt van alleen koolstof en waterstof, een eenvoud die onderzoekers aantrekkelijk vinden, zei Manoharan, die universitair hoofddocent natuurkunde is aan Stanford. De volgende stap, hij zei, is om te zien of transistors kunnen worden opgebouwd uit dezelfde basisingrediënten.

"Buckyballs zijn gemakkelijk te maken - ze kunnen worden geïsoleerd van roet - en het type diamandoïde dat we hier hebben gebruikt, die bestaat uit twee kleine kooien, kan in de handel worden gekocht, ' zei hij. 'En nu onze collega's in Duitsland hebben ontdekt hoe ze ze aan elkaar kunnen binden, anderen kunnen het recept volgen. Dus terwijl ons onderzoek was gericht op het verkrijgen van fundamentele inzichten over een nieuw hybride molecuul, het zou kunnen leiden tot vooruitgang die moleculaire elektronica mogelijk maakt."