• Facebook
  • LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Biokemi
  • Biologi
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klikkemi
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Artikler fra Dansk Kemi

EnergiOrganisk kemi01. 11. 2017 | Katrine Meyn

Næsten usynlig: elektronik på atomniveau

EnergiOrganisk kemi01. 11. 2017 By Katrine Meyn

Små ændringer i et molekyles elektroniske struktur kan have store konsekvenser for dets evne til at lede strøm. Vi har i forskellige systemer udnyttet, at ved at ændre på et molekyles konjugation, dvs. den måde alternerende dobbeltbindinger er placeret på, kan man skrue op og ned for dets ledningsevne. Man har med andre ord opnået en molekylær kontakt.

Læs originalartiklen her

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 11, 2017 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.

Af Stine T. Olsen, Mogens Brøndsted Nielsen og Kurt V. Mikkelsen, Kemisk Institut, Københavns Universitet

Hvordan designer man molekylære tænd-sluk kontakter? Siden de første elektriske komponenter så dagens lys, har forskere arbejdet på at gøre elektronikken mindre og mindre, men samtidig også mere kraftfuld. Dog nærmer den traditionelle silicium-baserede fabrikationsteknik sig en grænse. Næste skridt i udviklingen er at erstatte silicium med organiske molekyler – molekylær elektronik er hermed en introduktion til en verden af nye muligheder med f.eks. hurtigere og mere effektive computere, hvor de klassiske elektriske komponenter er skiftet ud med molekyler.
Forestil dig; din mobil så tynd som papir, så kraftig som en supercomputer, muligheden for at folde dit tv sammen og tage med på farten og biosensorer, der afslører neurodegenerative sygdomme som Alzheimers og Parkinson. Alt dette og mere til kan blive en realitet, hvis forskerne knækker koden til forståelsen og anvendelsen af molekylær elektronik.
Hidtil har de elektroniske komponenter været baseret på silicium, hvilket har sat sine begrænsninger. De hårde uorganiske siliciumkomponenter har begrænset brugen til ikke-fleksible elektriske komponenter såsom traditionelle fladskærme og smartphones. Ydermere sætter den uorganiske opbygning begrænsning i forhold til brugen i biologiske systemer, idet kroppen oftest vil kunne forventes at frastøde disse, og hermed ikke være egnet til medicinal brug og diagnosticering.
Foruden den begrænsede anvendelse er siliciumteknologien ved at nå sit maksimale udbytte. I mere end 50 år har vi oplevet en eksponentiel udvikling inden for de elektriske komponenter, hvor antallet af transistorer på en chip ca. er blevet fordoblet hvert andet år. I praksis har dette betydet, at man ca. hvert andet år har kunnet skifte sin computer ud til en nyere model med omtrent dobbelt så meget processorkraft for næsten samme pris. Denne udvikling er bedre kendt som Moores lov. I dag fremstilles der elektriske kredsløb ned i størrelsesordenen af 10 nanometer, men denne udvikling sætter naturlovene snart en stopper for, hvis ikke den traditionelle siliciumteknologi erstattes med en ny.

Molekylær elektronik
I molekylær elektronik erstattes den traditionelle siliciumteknik med små organiske molekyler på nanometerstørrelse [1]. Ideen bag molekylær elektronik opstod som et tankeeksperiment i 1974 mellem to amerikanske forskere, Mark A. Ratner og Ari Aviram, som tænkte, at et enkelt passende funktionaliseret molekyle fanget mellem to metalelektroder kunne fungere som ensretter for strømmen [2]. Ved at introducere organiske molekyler kan forskellige elektriske komponenter opnås, der, foruden at være mindre end de oprindelige, også besidder nye fordelagtige egenskaber. Tag f.eks. den nye OLED-teknologi (Organic Light-Emitting Diode), som muliggør fleksible skærme.
Molekylær elektronik er dog langt fra fuldt kommercielt tilgængeligt, da forskningen stadig byder på mange basale udfordringer. Design af en såkaldt molekylær kontakt har været vores fokus. En organisk molekylær kontakt, som illustreret i figur 1, består af et organisk molekyle kemisk bundet vha. to ”molekylære krokodillenæb” til to metalelektroder, ofte guld. Ved at skabe en spændingsforskel mellem de to elektroder vil molekylet kunne agere som en ledning, hvorigennem en strøm kan løbe. Ved at påvirke molekylet med en ydre stimulans, som f.eks. kan resultere i en isomeriseringsreaktion, ønsker vi at ændre ledningsevnen fra f.eks. høj til lav, og tilbage igen. Dette er præcis den egenskab, en almindelig elektrisk kontakt har. Vi er da i stand til at kunne tænde og slukke for strømmen i en molekylær kontakt ved reversibelt at ændre molekylets egenskaber. Molekylet bliver selve kontakten. Spørgsmålet er dog, hvordan molekylet skal modificeres for at opnå henholdsvis en lav og høj ledningsevne?

Molekylære ledninger – hvilke molekyler?
Det første spørgsmål er dog, hvilke molekyler der er mest optimale som ledninger? Strøm er elektroner, der vandrer gennem molekylet. Det er kendt, at elektroner bedre kan skubbes igennem konjugerede molekyler end gennem alifatiske forbindelser. Lineært konjugerede molekyler har alternerende dobbelt- og enkeltbindinger, og π-elektronerne er delokaliserede ud over hele molekylet. Effekten af mange dobbeltbindinger i konjugation kan erkendes ved, at molekylet bliver farvet. Mens ethylen og butadien absorberer i det ultraviolette område, absorberer caroten, som kendes fra gulerødder, i det synlige område. Men det er ikke ligegyldigt, hvordan dobbeltbindingerne er placeret i forhold til hinanden langs en kæde, se figur 2. Såkaldt kryds-konjugerede dobbeltbindinger giver ikke effektiv delokalisering af π-elektronerne, og sådanne molekyler absorberer ved omkring det samme maksimum som butadien uafhængigt af, hvor mange dobbeltbindinger der sættes på rad og række. Tilsvarende leder krydskonjugerede molekyler strøm meget ringere end lineært konjugerede molekyler. En ændring i molekylets konjugation og hermed dets π-system, kan derved anvendes med henblik på at lave en molekylær kontakt.

Molekylære kontakter
Design af molekyler, der er i stand til at ændre deres konjugation og derved ledningsevne ved en ydre påvirkning, er en attraktiv tilgang til at lave molekylære kontakter. Vi har både eksperimentelt og teoretisk succesfuldt demonstreret molekylære kontakter ved blandt andet at udnytte ændringen af konjugationen i molekylet ved:
1) lys-induceret isomerisering af en fotokontakt og
2) ved at skubbe på ladningsfordelingen i et molekyle med en elektrondonerende og elektronaccepterende enhed i konjugation.

Lysstyret kontakt
Et molekyles konjugation og derved ledningsevne kan ændres vha. lys ved en såkaldt fotokontakt. Dihydroazulen, DHA, en lovende fotokontakt inden for solenergilagring, kan ved lysabsorption ringåbne i en elektrocyklisk reaktion til sin vinylheptafulven-form, VHF, som over tid termisk vender tilbage til DHA. Ved at indbygge DHA i en molekylær ledning med svovl-ende-grupper fås en lys-kontrolleret fotokontakt, forbindelsen DHA6, figur 3 (6-tallet henviser til den position på den syvleddede ring, hvor substituenten sidder). Dette molekyle vil ved lyspåvirkning skifte fra sin fuldt lineært konjugerede DHA-form til sin VHF-form, der har et brud i konjugationen, krydskonjugation [3]. Dette motiverede os til at studere dette molekyles ledningsevne i samarbejde med forskellige grupper. Vi forventede, at DHA-formen ville have lille modstand og VHF-formen stor modstand. I opløsning fandt vi, at DHA6 kunne åbnes til VHF, som over tid vendte tilbage til DHA6 eller til en isomer af DHA6, nemlig DHA7, hvor substituenten på den syvleddede ring er flyttet en position.
Fra eksperimentelle ledningsevnestudier af molekylet spændt imellem to guld-elektroder (såkaldte break-junction-studier) fandt vi som forventet, at DHA6 havde en høj ledningsevne sammenlignet med sin krydskonjugerede VHF-form. Isomeriseringen af DHA6 over i DHA7, som fandt sted i opløsning, fandt dog ikke sted i junction. Vi målte efterfølgende ledningsevnen af DHA7 (fremstillet rent som denne isomer) og observerede, at denne isomer faktisk leder strømmen ringere end VHF-formen. Endvidere fandt vi, at efter en ring-åbnings/luknings-cyklus blev DHA7 omdannet til den mere stabile DHA6. Den dårlige ledningsevne af DHA7 kan forklares dels ved, at der er krydskonjugation i ”strømretningen” og dels ved ikke-planaritet af den syvleddede ring i DHA.

Kontakt styret ved ladningsdelokalisering
En anden fremgangsmåde til at ændre et molekyles konjugation og dermed dets ledningsevne er gennem brug af forskellige substituenter, der kan påvirke ladningsfordelingen. På den molekylære ledning oligo (phenyl ethynylen), OPE3, påsatte vi donorenheden dithiafulven, DTF, og en acceptorenhed, enten i form af et aldehyd eller indan-1,3-dion, se figur 4 [4]. Molekylets resonansformer vil da bestå af en lineært konjugeret form og en krydskonjugeret form. Vi tænkte, at hvis den ene af disse resonansformers bidrag til resonanshybridet kunne fremmes ift. den andens, ville molekylet måske kunne agere som en kontakt. Begge donor-acceptor-molekyler blev studeret vha. break-junction-metoden, og ligeså blev to lineært konjugerede referencemolekyler, en ren OPE3 uden substituenter samt en OPE3 med kun en dithiafulven-enhed.
Eksperimenterne viste, at de donor-acceptor substituerede OPE3-ledninger både udviste en høj samt en lav ledningsevne, hvilket vi ud fra teoretiske beregninger tillagde de to forskellige konjugationer af resonansformerne. Referencemolekylerne udviste kun en høj ledningsevne i størrelsesorden med den høje ledningsevne for de donor-acceptor substituerede molekyler. At donor-acceptor molekylerne enten viser en høj ledningsevne eller en lav, tilskriver vi små variationer i molekylets omgivelser fra måling til måling, små variationer som vil fremme den ene resonansform frem for den anden. Dvs. ved at variere lidt på det elektriske felt, som molekylet er påvirket af, skiftes der imellem de to former. Det svarer lidt til, når visse molekylers absorptionsmaksimum påvirkes af opløsningsmidlets polaritet – solvatochromisme – en egenskab som netop donor-acceptor-molekyler med en elektronisk charge-transfer-overgang udviser.

Konklusion
Skræddersyning af molekyler til at fungere som de komponenter, vi kender fra traditionel elektronik, såsom strømledere, ensrettere, kontakter og transistorer, er en attraktiv tilgang til at opfylde Moores lov, omend en molekylær computer ikke lige er om hjørnet. Mens vores fokus har været at forstå og kunne kontrollere det enkelte molekyles egenskaber, er et andet vigtigt felt inden for molekylær elektronik at få molekylerne samlet på den rigtige måde i et device. Der er så sandelig adskillige udfordringer, der skal overkommes, før molekylære computere kan realiseres. Men på denne vej skulle vi gerne opnå en masse fundamental viden om molekylers egenskaber.

Tak til
Vores kollegaer og internationale samarbejdspartnere, hvis navne er nævnt i reference 3 og 4.

Referencer
1. K. Jennum, M. Brøndsted Nielsen, ”Design and Synthesis of Organic Molecules for Molecular Electronics” i Organic Synthesis and Molecular Engineering (Red. M. Brøndsted Nielsen), John Wiley & Sons, 2014, pp. 46-75.
2. A. Aviram, M. A. Ratner, “Molecular rectifiers”, Chem. Phys. Lett. 1974, 29, 277-283.
3. C. Huang, M. Jevric, A. Borges, S. T. Olsen, J. Hamill, J.-T. Zheng, Y. Yang, A. Rudnev, M. Baghernejad, P. Broekmann, A. U. Petersen, T. Wandlowski, K. V Mikkelsen, G. C. Solomon, M. Brøndsted Nielsen, W. Hong, ”Single-molecule detection of dihydroazulene photo-thermal reaction using break junction technique,” Nat. Commun. 2017, 8:15436.
4. H. Lissau, R. Frisenda, S. T. Olsen, M. Jevric, C. R. Parker, A. Kadziola, T. Hansen, H. S. J. van der Zant, M. Brøndsted Nielsen, K. V. Mikkelsen, “Tracking Molecular Resonance Forms of Donor-Acceptor Push-Pull Molecules by Single-Molecule Conductance Experiments,” Nat. Commun. 2015, 6:10233.

 

 

Skrevet i: Energi, Organisk kemi

Seneste nyt fra redaktionen

Vælg bælg

Artikler fra Dansk KemiFødevarekemi03. 06. 2025

Bælgfrugter kan blive en vigtig komponent i en mere plantebaseret kost, men vi har stadig begrænset viden om deres indhold af metabolitter. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Hanne

Det gyldne mikrobiom: Tarmbakterier som kilde til det essentielle B-vitamin riboflavin

Artikler fra Dansk KemiBioteknologi03. 06. 2025

Riboflavin er et essentielt vitamin, der spiller en nøglerolle for vores sundhed samt for at opretholde et sundt tarmmikrobiom. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Emmelie Joe

Enzymet glucoseoxidase

Artikler fra Dansk KemiHistorisk kemi03. 06. 2025

– en status i 100-året for Detlev Müllers opdagelse. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Jens Ulstrup1, Xinxin Xiao2, Adam Heller3 og Ture Damhus41 Institut for Kemi, Danmarks

Antibiotikaresistens i vores naturlige miljøer

Artikler fra Dansk KemiBiologi03. 06. 2025

Spredning af antibiotikaresistens kan ske via mineraloverflader. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Karina Krarup Svenninggaard Sand, associate professor, Globe Institute,

Nye metoder giver indsigt i plantebaseret strukturdannelse

Artikler fra Dansk KemiFødevarekemi03. 06. 2025

Et afsluttet ph.d.-projekt fra Institut for Fødevarer ved Aarhus Universitet. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Julie Frost Dahl*, Sandra Beyer Gregersen og Milena Corredig,

Hofmeister – nem at anvende, svær at forstå

Artikler fra Dansk KemiFødevarekemi03. 06. 2025

Franz Hofmeister opløste æggehvide i vandige saltopløsninger. En artikel fra 1888 beskriver, hvordan nogle ioner får proteiner til at udfælde, mens andre ioner har den modsatte effekt. Fødevarekemien bruger stadig Hofmeister, men langt mere nuanceret. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3,

Udvinding af fødevareproteiner fra kløvergræs ved membranteknologi

Artikler fra Dansk KemiFødevarekemi03. 06. 2025

Hvis kløvergræs skal kunne anvendes som ny ressource til udvinding af fødevareproteiner, kan membranteknologi være vejen frem. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Mette Lübeck, Mads

Prisen på grisen: Hvad koster oprensning af beskidt CO2?

Artikler fra Dansk KemiGrøn omstillingTop02. 06. 2025

Hvor rent er CO2 fra CO2-fangst? Og hvor dyrt er det at oprense CO2? Denne artikel giver indsigt i nogle af udfordringerne ved at implementere en global CO2 infrastruktur. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs

Der er brug for lange måleserier af miljøparametre

AktueltArtikler fra Dansk KemiKlima og miljø26. 05. 2025

Kontinuerlige, kvalitetssikrede målinger af kemiske, fysiske og biologiske miljøparametre giver uundværlig information. Det gælder også for Grønland. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen

Chemical ionization mass spectrometry in atmospheric studies

AktueltAnalytisk kemiArtikler fra Dansk Kemi19. 05. 2025

Advances in chemical ionization mass spectrometry can improve our understanding of atmospheric composition. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Varun Kumar, Institut for

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • Dansk Laborant-Forening/HK

    Styrk laboratoriets digitale kompetencer med Python

  • DENIOS ApS

    Sådan vælger du det rigtige opbevaringsskab til farlige stoffer

  • MD Scientific

    Mød MD Scientific på ESOC 2025

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Busch Group præsenterer innovative vakuumløsninger på Battery Show Europe 2025 i Stuttgart

  • DENIOS ApS

    Sådan transporterer du lithiumbatterier sikkert

  • Kem-En-Tec Nordic

    Opnå rent DNA/RNA på få minutter og på bæredygtig vis!

  • Kem-En-Tec Nordic

    Sikker gelfarvning på kun 15 minutter?

  • DENIOS ApS

    Her er den oversete vej til et sundere arbejdsmiljø

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions lancerer den nye HiCube Neo RGA

  • Busch Vakuumteknik A/S

    centrotherm clean solutions bliver til Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Vælg bælg

    03.06.2025

  • Det gyldne mikrobiom: Tarmbakterier som kilde til det essentielle B-vitamin riboflavin

    03.06.2025

  • Enzymet glucoseoxidase

    03.06.2025

  • Antibiotikaresistens i vores naturlige miljøer

    03.06.2025

  • Nye metoder giver indsigt i plantebaseret strukturdannelse

    03.06.2025

  • Hofmeister – nem at anvende, svær at forstå

    03.06.2025

  • Udvinding af fødevareproteiner fra kløvergræs ved membranteknologi

    03.06.2025

  • Prisen på grisen: Hvad koster oprensning af beskidt CO2?

    02.06.2025

  • Der er brug for lange måleserier af miljøparametre

    26.05.2025

  • Chemical ionization mass spectrometry in atmospheric studies

    19.05.2025

  • Gamle processer, nye muligheder: Nyt kemisk-biologisk koncept til CO2-fangst og omdannelse

    14.05.2025

  • Centrotherm clean solutions bliver til Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions

    14.05.2025

  • I dag får professor Per Halkjær Nielsen Videnskabernes Selskabs Guldmedalje

    14.05.2025

  • Atmosfærisk transport af PFAS til Højarktis

    28.04.2025

  • Biotek-firma bag fedme-medicin på tabletform har lagt en klar plan om samarbejde eller opkøb

    21.04.2025

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia A/S
Naverland 35
DK - 2600 Glostrup
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk
Privatlivspolitik
Cookiepolitik