Chemici en polymeerwetenschappers die samenwerken aan de Universiteit van Massachusetts Amherst rapporteren in Natuurcommunicatie deze week dat ze voor het eerst een onverwachte eigenschap in een organische halfgeleidermolecuul hebben geïdentificeerd die zou kunnen leiden tot efficiëntere en kosteneffectievere materialen voor gebruik in mobiele telefoons en laptops, bijvoorbeeld, en in opto-elektronische apparaten zoals lasers, light-emitting diodes en glasvezelcommunicatie.

Fysisch chemicus Michael Barnes en polymeerwetenschapper Alejandro Briseño, met promovendi Sarah Marques, Hilary Thompson, Nicholas Colella en postdoctoraal onderzoeker Joelle Labastide, het pand ontdekt, directionele intrinsieke ladingsscheiding, in kristallijne nanodraden van een organische halfgeleider bekend als 7, 8, 15, 16-tetraazaterryleen (TAT).

De onderzoekers zagen niet alleen een efficiënte scheiding van ladingen in TAT, maar een zeer specifieke directionaliteit die Barnes zegt "is best handig. Het voegt controle toe, dus we zijn niet overgeleverd aan willekeurige bewegingen, wat inefficiënt is. Ons artikel beschrijft een aspect van de nanoscopische fysica in individuele kristallen, een structuur die het gemakkelijker maakt om dit molecuul te gebruiken voor nieuwe toepassingen, zoals in apparaten die gepolariseerde lichtinvoer gebruiken voor optisch schakelen. Wij en anderen zullen deze gerichtheid onmiddellijk benutten."

Hij voegt toe, "Het observeren van de intrinsieke ladingsscheiding gebeurt niet in polymeren, voor zover we weten komt het alleen voor in deze familie van kristallijne assemblages of nanodraden van kleine organische moleculen. Qua toepassing onderzoeken we nu manieren om de kristallen in een uniform patroon te rangschikken en van daaruit kunnen we dingen aan of uit zetten, afhankelijk van optische polarisatie, bijvoorbeeld."

Echter, het UMass Amherst-team gelooft dat het pand geen eigenaardigheid is die uniek is voor dit materiaal, maar dat verschillende materialen het mogelijk delen, de ontdekkingen in TAT interessant maken voor een breed scala aan onderzoekers, zegt Barnes. Vergelijkbare soorten waarnemingen zijn waargenomen in pentaceenkristallen, hij merkt op, die iets soortgelijks laten zien, maar zonder richting. In dit werk ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie en UMass Amherst's Center for Hierarchical Manufacturing, ze stellen voor dat het effect afkomstig is van een interactie van ladingsoverdracht in de ladinggeleidende nanodraden van het molecuul die kunnen worden geprogrammeerd.

In de conventionele opvatting van het oogsten van zonne-energie met organische of op koolstof gebaseerde organische materialen, legt de chemicus uit, wetenschappers begrepen dat de organische actieve lagen aan het werk in apparaten licht absorberen, wat leidt tot een aangeslagen toestand die bekend staat als een exciton. Bij dit mechanisme wordt het exciton migreert naar een grensvlak waar het scheidt in een positieve en negatieve lading, het vrijmaken van de spanning om te worden gebruikt als stroom. "In deze weergave, je hoopt dat het licht goed wordt geabsorbeerd zodat de overdracht efficiënt is, " hij zegt.

In eerder werk, Barnes, Briseño en anderen bij UMass Amherst werkten om de domeingrootte van materialen te regelen om overeen te komen met wat werd verondersteld de afstand te zijn die een exciton kan afleggen in de tijd die nodig is om uit te stralen, hij voegt toe. "Dit alles ging uit van het idee dat het mechanisme voor ladingsscheiding extrinsiek is, dat een externe drijvende kracht de ladingen scheidt, " merkt hij op. Het doel was om de noodzaak voor die interface weg te nemen."

Meest recent, Briseño en collega's bereikten een punt in het synthetiseren van kristallen waar hun op polymeren gebaseerde apparaten niet presteerden zoals ze wilden, hij vertelt. Briseño vroeg Barnes en collega's om hun speciale meetinstrumenten te gebruiken om dit te onderzoeken. Barnes en collega's vonden een structureel defect dat Briseño kon repareren. "We hebben hem wat diagnostiek gegeven om hun kristalgroei te verbeteren, ' zegt Barnes.

"Van dit, we merkten aanwijzingen dat er een aantal zeer interessante dingen aan de hand waren, die ons tot de ontdekking leidde, Barnes vult aan. "Het is leuk als de wetenschap zo werkt. Het was een zeer mooie wederzijds voordelige relatie."

"Wat de natuur ons bracht, was echt veel rijker en interessanter dan alles wat we hadden kunnen verwachten. We dachten dat het kwalitatief vergelijkbaar zou zijn met eerdere waarnemingen, misschien verschillend in kwantitatieve bijzonderheden, maar het echte verhaal is veel interessanter. In dit materiaal, ze ontdekten dat de manier waarop het kristallen verpakt, aanleiding geeft tot zijn eigen scheiding, een intrinsieke eigenschap van het kristallijne materiaal."