Een internationale groep wetenschappers uit Leiden, Delft, Bern en Chuo hebben de eerste schakelbare moleculaire diode ontwikkeld, die door vochtigheid kan worden in- en uitgeschakeld. Het functioneert ook als een vochtigheidssensor op nanoschaal. De studie is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

in 2016, Feringa, Stoddard en Sauvage ontvingen de Nobelprijs voor het ontwikkelen van moleculaire motoren. Hun werk is een spectaculair voorbeeld van een breder onderzoeksgebied waarin wetenschappers moleculen met een chemisch geprogrammeerde functie bestuderen. Behalve motoren, ze werken ook aan moleculaire diodes, schakelaars en transistoren, allemaal met een typische lengte van een nanometer, en vertegenwoordigen zo de ultieme miniaturisering. Leidse natuurkundigen Sense Jan van der Molen en Huseyin Atesci, samen met Delft, Bern en Chuo (Japan), hebben nu de eerste schakelbare moleculaire diode gedemonstreerd.

De wetenschappers ontdekten dat de elektrische geleidbaarheid van het molecuul 2-Ru-N afhankelijk is van de vochtigheid. In droge omstandigheden, dezelfde hoeveelheid stroom vloeit door het molecuul onder positieve of negatieve spanning. Dit verandert drastisch in een vochtige omgeving. In dat geval, alleen een positieve spanning induceert een stroom. De onderzoekers hebben een moleculair circuit gemaakt dat werkt als een unieke combinatie van een schakelaar en een diode - een schakelbare moleculaire diode die wordt in- en uitgeschakeld met vochtigheid. Het molecuul functioneert ook als vochtigheidssensor op basis van de structuur van een specifiek molecuul.

De kleine diode werkt door middel van een asymmetrie die wordt veroorzaakt door watermoleculen. Bij een luchtvochtigheid van ongeveer 60 procent, ze klonteren samen aan de rechterkant van de moleculaire laag (zie figuur f). Dit veroorzaakt een onbalans tussen de energieniveaus aan beide kanten (h), die de stroom van elektronen sterk beperkt. Een positieve spanning over het molecuul verhoogt het energieniveau van de rechterkant (i), zodat de uitlijning van de niveaus wordt hersteld en de stroom weer vloeit. Een negatieve spanning daarentegen creëert een nog grotere asymmetrie (j) en leidt tot een zeer lage stroom. Onder droge omstandigheden, de symmetrie van het molecuul breekt niet en het diodegedrag verdwijnt.

Beginsel

"Het hele principe is gebaseerd op symmetrie, het is dus niet uitsluitend van toepassing op water, " zegt Van der Molen. "In theorie werkt dit concept ook met voor alcohol of giftige gassen, bijvoorbeeld." De ontdekking heeft dus niet alleen betrekking op het meten van vocht in de lucht. Als wetenschappers in de toekomst een geschikt molecuul vinden dat uit twee symmetrische helften bestaat, net als 2-Ru-N, " het principe maakt ook andere sensoren mogelijk, zoals een moleculaire alcoholtest of koolmonoxidedetector.