Kunnen langeafstandsinteracties tussen individuele moleculen een nieuwe manier van berekenen smeden?

Interacties tussen individuele moleculen op een metalen oppervlak strekken zich uit over verrassend grote afstanden - tot enkele nanometers.

Een nieuwe studie, net gepubliceerd, van de veranderende vorm van elektronische toestanden veroorzaakt door deze interacties, heeft potentiële toekomstige toepassing in het gebruik van moleculen als individueel adresseerbare eenheden.

Bijvoorbeeld, in een toekomstige computer gebaseerd op deze technologie, de toestand van elk afzonderlijk molecuul kan worden gecontroleerd, spiegelen van binaire werking van transistors in de huidige computer.

Het meten van sociaal verre moleculaire interacties op een metalen oppervlak

De samenwerking tussen Monash en de Universiteit van Melbourne bestudeerde de elektronische eigenschappen van magnesiumftalocyanine (MgPc) dat op een metalen oppervlak werd gestrooid.

MgPc is vergelijkbaar met het chlorofyl dat verantwoordelijk is voor fotosynthese.

Door voorzichtig, atomair nauwkeurige scanning probe microscopie metingen, de onderzoekers toonden aan dat de kwantummechanische eigenschappen van elektronen in de moleculen - namelijk hun energie en ruimtelijke verdeling - aanzienlijk worden beïnvloed door de aanwezigheid van naburige moleculen.

Dit effect - waarbij het onderliggende metalen oppervlak een sleutelrol speelt - wordt waargenomen voor intermoleculaire scheidingsafstanden van enkele nanometers, aanzienlijk groter dan verwacht voor dit soort intermoleculaire interactie.

Deze inzichten zullen naar verwachting de vooruitgang in de ontwikkeling van elektronische en opto-elektronische solid-state-technologieën die zijn opgebouwd uit moleculen, informeren en stimuleren, 2D-materialen en hybride interfaces.

Directe waarneming van veranderingen in moleculaire orbitale symmetrie en energie

Het ftalocyanine (Pc) 'klavertjevier'-ligand, wanneer versierd met een magnesium (Mg) atoom in het midden, maakt deel uit van het chlorofylpigment dat verantwoordelijk is voor fotosynthese in bio-organismen.

Metaal-ftalocyanines zijn exemplarisch voor de afstembaarheid van hun elektronische eigenschappen door het centrale metaalatoom en perifere functionele groepen te verwisselen, en hun vermogen om zichzelf te assembleren in zeer geordende enkele lagen en nanostructuren.

Baanbrekende scanning probe microscopie metingen onthulden een verrassend lange afstand interactie tussen MgPc moleculen geadsorbeerd op een metalen oppervlak.

Kwantitatieve analyse van de experimentele resultaten en theoretische modellering toonde aan dat deze interactie het gevolg was van vermenging tussen de kwantummechanische orbitalen - die de ruimtelijke verdeling van elektronen binnen het molecuul bepalen - van naburige moleculen. Deze moleculaire orbitale vermenging leidt tot significante veranderingen in elektronenenergieën en elektronenverdelingssymmetrieën.

Het lange bereik van de intermoleculaire interactie is het resultaat van de adsorptie van het molecuul op het metaaloppervlak, die de verdeling van de elektronen van het molecuul "spreidt".

"We moesten onze scanning probe-microscoop naar nieuwe limieten duwen in termen van ruimtelijke resolutie en complexiteit van data-acquisitie en analyse, " zegt hoofdauteur en FLEET-lid Dr. Marina Castelli.

"Het was een grote verschuiving in het denken om de intermoleculaire interactie te kwantificeren vanuit het oogpunt van symmetrieën van de ruimtelijke verdeling van elektronen, in plaats van typische spectroscopische verschuivingen in energie, wat subtieler en misleidend kan zijn. Dit was het belangrijkste inzicht dat ons naar de finish bracht, en ook waarom we denken dat dit effect niet eerder is waargenomen."

"Belangrijk, de uitstekende kwantitatieve overeenkomst tussen experiment en atomistische DFT-theorie bevestigde de aanwezigheid van langeafstandsinteracties, geeft ons veel vertrouwen in onze conclusies, ", zegt medewerker Dr. Muhammad Usman van de Universiteit van Melbourne.

De resultaten van deze studie kunnen grote implicaties hebben voor de ontwikkeling van toekomstige elektronische en opto-elektronische technologieën in vaste toestand op basis van organische moleculen, 2D-materialen en hybride interfaces.