Moleculaire elektronica is een snelgroeiend onderzoeksgebied dat tot doel heeft afzonderlijke moleculen te integreren als actieve elementen in elektronische apparaten. Het verkrijgen van een compleet beeld van de ladingstransporteigenschappen in moleculaire knooppunten is de eerste stap naar het realiseren van functionaliteit op nanoschaal. Onderzoekers van de TU Delft hebben nu het ladingstransport in een nieuw systeem bestudeerd, de grafeen mechanische breukovergang, die voor het eerst directe experimentele observatie van kwantuminterferentie-effecten in dubbellaags grafeen mogelijk maakte als een functie van nanometer-verplaatsingen. Dit nieuwe platform kan mogelijk worden gebruikt voor elektronische vingerafdrukken van biomoleculen, van DNA tot eiwitten, die op hun beurt belangrijke implicaties kunnen hebben voor de diagnose en behandeling van ziekten.

Nanogaps die twee elektroden scheiden, worden beschouwd als de basis voor de volgende generatie detectietechnologieën. Het doel is om quantum-elektronentunneling te benutten als het detectieprincipe, waarin de elektronische structuur van het doelmolecuul dat in de nanogap is gevangen, direct wordt onderzocht. grafeen, een monolaag van koolstofatomen in een hexagonaal rooster, combineert veel van de vereisten voor een elektrisch sensormateriaal:hoge geleidbaarheid, atomaire dunheid, flexibiliteit, chemische inertie in lucht en vloeistof, en mechanische sterkte, evenals de compatibiliteit met standaard lithografische patroontechnieken.

Aan het Kavli Instituut voor Nanowetenschappen in Delft, een onderzoeksgroep ontwikkelt robuuste, op grafeen gebaseerde mechanisch gecontroleerde breekjuncties (MCBJ's), die de vorming van een in grootte verstelbare tunnelspleet op sub-nanometerschaal mogelijk maken, d.w.z. de grootte kan worden aangepast aan de grootte van het te onderzoeken biomolecuul.

Let op de kloof

Het MCBJ-experiment is conceptueel heel eenvoudig. Het apparaat bestaat uit een grafeen vlinderdasstructuur ondersteund op een flexibel metalen substraat. Het substraat wordt geleidelijk gebogen, waardoor het grafeen uitrekt. Deze grafeenbrug breekt uiteindelijk en er ontstaat een nanoscopische opening. belangrijk, de junctiegeleiding kan gedurende 1 omkeerbaar worden geschakeld met bijna zes orden van grootte 000 cycli van openen en sluiten; d.w.z. het fungeert als een elektrische schakelaar die mechanisch kan worden in- en uitgeschakeld. De indrukwekkende mechanische stabiliteit zorgt voor het verzamelen van statistisch significante gegevens, het vastleggen van verschillende gedragingen van de knooppunten in de tijd en in verschillende omgevingen (bijv. verschillende molecuuloriëntaties, in de lucht, vacuüm, vloeistof).

In samenwerking met de theoriegroep onder leiding van Prof Jaime Ferrer aan de Universiteit van Oviedo (Spanje), de onderzoekers bevestigden ook de interferentie van elektronengolven tijdens metingen in lucht bij kamertemperatuur. De bevindingen zijn een belangrijke stap voor zowel de fundamentele fysica als voor toekomstige toepassingen van grafeen als een elektromechanische schakelaar of biosensingplatform.

Elektronische vingerafdrukken

De grafeen MCBJ is een uniek apparaat dat enerzijds een modelsysteem is voor het bestuderen van kwantumtransport bij kamertemperatuur, en aan de andere kant kan het een krachtig meetinstrument zijn om biomoleculen met een zeer hoge resolutie te onderzoeken. De onderzoekers onderzoeken momenteel het potentieel van dit platform voor elektronische vingerafdrukken van biomoleculen, inclusief aminozuren en korte peptiden:het doel is om moleculen met een klein chemisch verschil te onderscheiden op basis van hun elektronische structuur, die kan worden 'gelezen' wanneer de moleculen in de nanogap worden opgesloten. Dit zou de eerste stappen zijn naar "tunneling-based" biosensing met grafeen, een pakkende visie bij de afdelingen Quantum en Bionanoscience van de TU Delft.

Het onderzoek werd mede gefinancierd door het Graphene Flagship.