Organische zelf-geassembleerde monolagen (SAM's) bestaan ​​al meer dan veertig jaar. De meest gebruikte vorm is gebaseerd op thiolen, gebonden aan een metalen oppervlak. Echter, hoewel de thiol SAM's zeer veelzijdig zijn, ze zijn ook chemisch onstabiel. Blootstelling van deze monolagen aan lucht leidt binnen één dag tot oxidatie en afbraak. Wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen hebben nu SAM's gemaakt met behulp van buckyballs die zijn gefunctionaliseerd met 'staarten' van ethyleenglycol. Deze moleculen produceren zelf-geassembleerde monolagen die alle eigenschappen van thiol SAM's hebben, maar die bij blootstelling aan lucht enkele weken chemisch onveranderd blijven. Deze robuustheid maakt ze veel gemakkelijker te gebruiken in onderzoek en in apparaten. Een artikel over deze nieuwe SAM's is gepubliceerd in Natuurmaterialen op 30 januari.

Zelf-geassembleerde monolagen zijn dynamische structuren, verklaart RUG-universitair hoofddocent Organische-Materialen Chemie en Apparaten Ryan Chiechi:"Deze monolagen herstellen zichzelf en de moleculen zullen voortdurend de meest efficiënte pakking vinden. Bovendien, alle processen zijn omkeerbaar, en het is mogelijk om hun samenstelling te veranderen." Dit onderscheidt SAM's van andere monolagen die worden gebruikt om oppervlakken te functionaliseren. "Deze zijn vaak erg stabiel, maar ze assembleren zichzelf niet en missen de dynamiek van SAM's."

Kwantumtunneling

SAM's op basis van de binding van thiolen (zwavelbevattende groepen) aan metaal worden op grote schaal bestudeerd en gebruikt. Toepassingen van SAM's variëren van het beheersen van bevochtiging van of hechting aan oppervlakken, het creëren van chemische resistentie in lithografie, tot sensorproductie of nanofabricage. De monolagen kunnen ook worden gebruikt om moleculaire elektronica te produceren. Chiechi stelt, "Elektrische stroom zal door zo'n monolaag gaan door kwantumtunneling. En kleine aanpassingen aan de moleculaire laag kunnen de tunneleigenschappen veranderen. Door zo'n chemisch maatwerk, het is mogelijk om nieuwe soorten elektronica te creëren."

Echter, de meest gebruikte SAM's op basis van thiol zijn gevoelig voor oxidatie bij blootstelling aan lucht. Zonder bescherming, ze zullen geen enkele dag duren. "Dit betekent dat je allerlei apparatuur nodig hebt om de lucht buiten te houden als je met deze SAM's voor moleculaire elektronica werkt, " legt Chiechi uit. "Het maakt het ook moeilijk om ze in een biologische context te gebruiken."

Gefunctionaliseerde buckyballs

Dit is waar de nieuwe op Buckyball gebaseerde SAM's van pas komen. In een gezamenlijke inspanning, wetenschappers van het Stratingh Institute for Chemistry en het Zernike Institute for Advanced Materials van de Rijksuniversiteit Groningen hebben de eigenschappen van met glycolether gefunctionaliseerde fullerenen ontdekt en gekarakteriseerd. De buckyballs hechten nog sterker aan metalen oppervlakken dan thiolen. De glycoletherstaarten zijn polair en in organische oplosmiddelen, dit induceert de vorming van een dubbellaag. "Je stopt het metaal gewoon in een oplossing van deze gefunctionaliseerde buckyballs en de dubbellaag zal zich vormen door zelfassemblage, " zegt Chiechi. Verder, SAM's die op deze manier zijn bereid, zijn zeer goed bestand tegen oxidatie:wanneer ze worden blootgesteld aan lucht, ze blijven minstens 30 dagen intact.

"Our results strongly suggest that the tails of the molecules are intertwined. This results in a stable and very dynamic structure where molecules are free to move, which is typical for a SAM, " says Chiechi. The outer layer can be replaced by adding other functionalized groups. Chiechi and his colleagues added spiropyrans (molecules that will change shape when exposed to UV light) connected to a glycol-ether tail. By placing an electrode on the outer layer, tunneling through the SAM was measured. The scientists showed that changing the shape of the spiropyran moiety with light also changed the conductance by several orders of magnitude.

Molecular electronics

There are other alternatives for thiol-based SAMs but they all have limitations. "We believe that our SAMs have all the properties of thiol-based SAMs, with resistance to degradation by air as a large bonus, " concludes Chiechi. "Furthermore, we have shown that our system can be used to create molecular electronics." And it also appears to be a very useful platform for studying the behavior of SAMs. "You can do this on your lab bench without any need for protection." Chiechi thinks that his system might be useful for studying the behavior of bilayers, including the lipid bilayers that form cell membranes.

The ability to change the composition of the SAMs opens up interesting applications in molecular electronics. Chiechi:"This might be used to create a topological computer architecture, for neuromorphic computing." Changes in the composition of the SAM could produce a memristor and possibly a system for stochastic computing, which uses the probabilities of 1s and 0s to represent numbers in a bitstream. "This could be represented by the fraction of one type of molecule in the SAM." Before this can become a reality, echter, more work will have to be done, bijvoorbeeld, to understand why the glycol-ether phase is such an efficient tunneling medium.