Het is de dubbele helix, met zijn stabiele en flexibele structuur van genetische informatie, die het leven op aarde in de eerste plaats mogelijk maakten. Nu heeft een team van de Technische Universiteit van München (TUM) een dubbele helixstructuur ontdekt in een anorganisch materiaal. Het materiaal bestaande uit tin, jodium en fosfor is een halfgeleider met buitengewone optische en elektronische eigenschappen, evenals extreme mechanische flexibiliteit.

Flexibel en toch robuust - dit is een van de redenen waarom de natuur genetische informatie codeert in de vorm van een dubbele helix. Wetenschappers van de TU München hebben nu een anorganische stof ontdekt waarvan de elementen zijn gerangschikt in de vorm van een dubbele helix.

De stof genaamd SnIP, bestaande uit de elementen tin (Sn), jodium (I) en fosfor (P), is een halfgeleider. Echter, in tegenstelling tot conventionele anorganische halfgeleidende materialen, het is zeer flexibel. De centimeter lange vezels kunnen willekeurig worden gebogen zonder te breken.

"Deze eigenschap van SnIP is duidelijk toe te schrijven aan de dubbele helix, " zegt Daniela Pfister, die het materiaal ontdekte en als onderzoeker werkt in de werkgroep van Tom Nilges, Professor voor synthese en karakterisering van innovatieve materialen aan de TU München. "SnIP kan eenvoudig op gramschaal worden geproduceerd en is, in tegenstelling tot galliumarsenide, die vergelijkbare elektronische kenmerken heeft, veel minder giftig."

Talloze toepassingsmogelijkheden

De halfgeleidende eigenschappen van SnIP beloven een breed scala aan toepassingsmogelijkheden, van energieconversie in zonnecellen en thermo-elektrische elementen tot fotokatalysatoren, sensoren en opto-elektronische elementen. Door doping met andere elementen, de elektronische eigenschappen van het nieuwe materiaal kunnen worden aangepast aan een breed scala aan toepassingen.

Door de rangschikking van atomen in de vorm van een dubbele helix, de vezels, die tot een centimeter lang zijn, kunnen gemakkelijk in dunnere strengen worden gesplitst. De dunste vezels tot nu toe bestaan ​​uit slechts vijf dubbele helixstrengen en zijn slechts enkele nanometers dik. Dat opent ook de deur naar nano-elektronische toepassingen.

"Vooral de combinatie van interessante halfgeleidereigenschappen en mechanische flexibiliteit geeft ons een groot optimisme over mogelijke toepassingen, " zegt professor Nilges. "Vergeleken met organische zonnecellen, we hopen een aanzienlijk hogere stabiliteit van de anorganische materialen te bereiken. Bijvoorbeeld, SnIP blijft stabiel tot ongeveer 500 ° C (930 ° F)."

Gewoon aan het begin

"Vergelijkbaar met koolstof, waar we de driedimensionale (3D) diamant hebben, het tweedimensionale grafeen en de eendimensionale nanobuisjes, " legt professor Nilges uit, "we hebben hier naast het 3D-halfgeleidende materiaal silicium en het 2D-materiaal fosforeen, voor het eerst een eendimensionaal materiaal - met perspectieven die net zo opwindend zijn als koolstofnanobuisjes."

Net als bij koolstofnanobuisjes en op polymeer gebaseerde drukinkten, SnIP dubbele helices kunnen worden gesuspendeerd in oplosmiddelen zoals tolueen. Op deze manier, dunne lagen kunnen eenvoudig en kosteneffectief worden geproduceerd. "Maar we staan ​​nog maar aan het begin van de ontwikkelingsfase van materialen, ", zegt Daniela Pfister. "Elke processtap moet nog worden uitgewerkt."

Omdat de dubbele helixstrengen van SnIP in links- en rechtshandige varianten komen, materialen die slechts een van de twee bevatten, moeten speciale optische kenmerken vertonen. Dit maakt ze zeer interessant voor toepassingen in de opto-elektronica. Maar, tot nu toe is er geen technologie beschikbaar om de twee varianten te scheiden.

Theoretische berekeningen van de onderzoekers hebben aangetoond dat een hele reeks andere elementen dit soort anorganische dubbele helices zouden moeten vormen. Uitgebreide octrooibescherming is aangevraagd. De onderzoekers werken nu intensief aan het vinden van geschikte productieprocessen voor andere materialen.

Een uitgebreide interdisciplinaire alliantie werkt aan de karakterisering van het nieuwe materiaal:fotoluminescentie- en geleidbaarheidsmetingen zijn uitgevoerd aan het Walter Schottky Institute van de TU München. Theoretische scheikundigen van de Universiteit van Augsburg werkten mee aan de theoretische berekeningen. Onderzoekers van de Universiteit van Kiel en het Max Planck Institute of Solid State Research in Stuttgart voerden transmissie-elektronenmicroscooponderzoeken uit. Mössbauer-spectra en magnetische eigenschappen werden gemeten aan de Universiteit van Augsburg, terwijl onderzoekers van TU Cottbus thermodynamische metingen bijdroegen.