Polyaromatische koolwaterstoffen (PAK's) vormen een belangrijke klasse moleculen, die als kleine grafeensoorten kunnen worden beschouwd en die een prominente rol spelen in de ontwikkeling van organische elektronica. Wetenschappers van de Radboud Universiteit, de Universiteit van Amsterdam en FOM laten nu zien dat de randstructuren van deze ogenschijnlijk vergelijkbare moleculen verantwoordelijk zijn voor spectaculaire verschillen in transporteigenschappen, waardoor slimmere ontwerpen van nieuwe materialen mogelijk zijn. Natuurcommunicatie publiceert de resultaten op 31 augustus.

PAK's zijn opgebouwd uit verbonden hexagonale koolstofringen. Ze zijn nuttig om materialen te produceren voor nieuwe supergeleiders op moleculaire schaal, maar ze zijn ook van astrofysisch belang, aangezien wordt aangenomen dat een aanzienlijk deel van de interstellaire koolstof is opgesloten in deze zeer stabiele moleculen. Voor al deze toepassingen een fundamenteel begrip van de elektronenverdeling en de relatie met topologische kenmerken van PAK's is belangrijk. De exacte manier waarop koolstofringen zijn bevestigd – de topologie van het molecuul – leek hierbij een grote rol te spelen, maar het was onduidelijk hoe. Met geavanceerde spectroscopische experimenten in het FELIX Laboratory, natuurkundige Héctor Alvaro Galué samen met wetenschappers van de Radboud Universiteit en de Universiteit van Amsterdam, heeft aangetoond dat de topologie bepaalt hoe de elektronenverdeling is gekoppeld aan de trillingsdynamiek van het koolstofskelet.

Zigag- en fauteuilstructuren

Met de FELIX vrije elektronenlaser van de Radboud Universiteit, Alvaro Galué bepaalde de trillingsspectra van twee positief geladen PAK-ionen die uit vijf verbonden zeshoeken bestaan. Pentaceen heeft een zigzagrandstructuur (Figuur 1, rechts en figuur 2, boven) terwijl de randstructuur van piceen gewoonlijk fauteuil wordt genoemd (Figuur 1, links en figuur 2, onderkant). Onverwacht, een vergelijking van de IR-spectra van de twee PAK-ionen bracht grote intensiteitsverschillen aan het licht voor de trillingen van de twee PAK's.

De (onder moleculaire fysici) bekende Born-Oppenheimer benadering vormt een strikte scheiding tussen elektronische en nucleaire beweging. Echter, de beschreven verschillen in de trillingsspectra van pentaceen en piceen tonen het tegendeel aan. Tijdens het eerste deel van een trilling, de ene kant van het molecuul heeft een hogere elektronendichtheid dan de andere helft. Tijdens het tweede deel van de trilling, de situatie is omgekeerd:de elektronendichtheid verschuift naar die kant. De situatie is vergelijkbaar met een periodiek kantelbare bak gevuld met water, waardoor het water van de ene naar de andere kant klotst. Het 'klotsen' van de elektronendichtheid - de elektronenflux - versterkt de absorptie van infrarood licht op de specifieke frequentie van de trillende koolstofatomen.

Elektronenflux

De huidige publicatie laat zien dat de elektronendichtheid die in piceen klotst, wordt verbeterd, terwijl het grotendeels annuleert in pentaceen. Berekeningen suggereren dat dit niet alleen het geval is voor piceen en pentaceen, maar dat het een intrinsieke eigenschap is van PAK's met zigzag- en fauteuilrandstructuren. Dit geeft waardevol inzicht in de elektronische eigenschappen van deze twee klassen van PAK- (en grafeen)-topologieën.