Drut molekularny
| Część serii artykułów na temat |
| nanoelektroniki |
|---|
| Elektronika jednocząsteczkowa |
| Nanoelektronika ciała stałego |
| Powiązane podejścia |
| Portale |
 Portal elektroniki
|
Druty molekularne (lub czasami nazywane nanoprzewodami molekularnymi) to łańcuchy molekularne przewodzące prąd elektryczny. Są proponowanymi elementami budulcowymi molekularnych urządzeń elektronicznych. Ich typowe średnice są mniejsze niż trzy nanometry, podczas gdy ich długość może być makroskopowa, sięgająca centymetrów lub więcej.
Przykłady
Większość rodzajów drutów molekularnych pochodzi z cząsteczek organicznych. Jednym z naturalnie występujących drutów molekularnych jest DNA . Wybitne przykłady nieorganiczne obejmują materiały polimerowe, takie jak Li 2 Mo 6 Se 6 i Mo 6 S 9-x I x , [Pd 4 (CO) 4 (OAc) 4 Pd (acac) 2 ] i jednocząsteczkowe rozciągnięte łańcuchy atomów metali (EMAC), które zawierają struny metali przejściowych atomy bezpośrednio połączone ze sobą. Druty molekularne zawierające paramagnetyczne ugrupowania nieorganiczne mogą wykazywać piki Kondo .
Przewodzenie elektronów
Druty molekularne przewodzą prąd. Zwykle mają nieliniową charakterystykę prądowo-napięciową i nie zachowują się jak proste przewodniki omowe. Przewodność jest zgodna z typowym zachowaniem prawa mocy w funkcji temperatury lub pola elektrycznego, w zależności od tego, która wartość jest większa, co wynika z ich silnego jednowymiarowego charakteru. Próbując zrozumieć przewodnictwo układów jednowymiarowych, w których silne oddziaływania między elektronami prowadzą do odchyleń od normalnego zachowania metalicznego ( ciecz Fermiego ), wykorzystano liczne koncepcje teoretyczne. Ważnymi pojęciami są te wprowadzone przez Tomonagę , Luttingera i Wignera . Stwierdzono , że efekty spowodowane klasycznym odpychaniem kulombowskim (zwanym blokadą kulombowską ), interakcjami z wibracyjnymi stopniami swobody (zwanymi fononami ) i dekoherencją kwantową są również ważne w określaniu właściwości drutów molekularnych.
Synteza
Opracowano metody syntezy różnych typów drutów molekularnych (np. organicznych drutów molekularnych i nieorganicznych drutów molekularnych). Podstawową zasadą jest łączenie powtarzających się modułów. Organiczne druty molekularne są zwykle syntetyzowane poprzez reakcje sprzęgania krzyżowego, w których pośredniczą metale przejściowe .
Organiczne druty molekularne
Organiczne druty molekularne zwykle składają się z pierścieni aromatycznych połączonych grupą etylenową lub grupami acetylenowymi . Reakcje sprzęgania krzyżowego, w których pośredniczą metale przejściowe, są wykorzystywane do łączenia prostych bloków budulcowych w zbieżny sposób w celu zbudowania organicznych drutów molekularnych. Na przykład, z łatwo dostępnego 1-bromo-4-jodobenzenu (A) zsyntetyzowano prosty drut molekularny typu oligo (fenylenoetylonylen) (B). Produkt końcowy otrzymano w kilku etapach sprzęgania Sonogashiry .
Inne organiczne druty molekularne obejmują nanorurki węglowe i DNA . Nanorurki węglowe można syntetyzować różnymi metodami nanotechnologicznymi. DNA można przygotować albo poprzez stopniową syntezę DNA na fazie stałej, albo przez replikację wewnątrz komórek katalizowaną polimerazą DNA.
Niedawno wykazano, że pirydyna i polimery pochodne pirydyny mogą tworzyć przewodzące elektrony łańcuchy poliazaacetylenowe pod wpływem prostego promieniowania ultrafioletowego i że powszechna obserwacja „brązowienia” starzejących się próbek pirydyny jest częściowo spowodowana tworzeniem się drutów molekularnych. Żele wykazywały przejście między przewodnictwem jonowym a przewodnictwem elektronowym po napromieniowaniu.
Nieorganiczne druty molekularne
Jedna klasa nieorganicznych drutów molekularnych składa się z podjednostek związanych z klastrami Chevrel. Synteza Mo 6 S 9−x I x została przeprowadzona w szczelnie zamkniętej i próżniowej ampułce kwarcowej w temperaturze 1343 K. W Mo 6 S 9−x I x powtarzającymi się jednostkami są klastry Mo 6 S 9−x I x , które są połączone ze sobą za pomocą elastycznych mostków siarkowych lub jodowych.
Łańcuchy można również wytwarzać z prekursorów metaloorganicznych.
Nanoprzewody w elektronice molekularnej
Aby nadawać się do łączenia cząsteczek, MW muszą samoorganizować się po dobrze zdefiniowanych trasach i tworzyć między nimi niezawodne kontakty elektryczne. Aby w sposób powtarzalny samoorganizować złożony obwód oparty na pojedynczych cząsteczkach. Idealnie byłoby, gdyby łączyły się z różnymi materiałami, takimi jak złote metalowe powierzchnie (do połączeń ze światem zewnętrznym), biomolekuły (na nanosensory, nanoelektrody, przełączniki molekularne), a co najważniejsze, muszą umożliwiać rozgałęzienia. Łączniki powinny być również dostępne o określonej średnicy i długości. Powinny również mieć wiązanie kowalencyjne, aby zapewnić powtarzalne właściwości transportowe i kontaktowe.
Cząsteczki podobne do DNA mają specyficzne rozpoznawanie w skali molekularnej i mogą być wykorzystywane do wytwarzania rusztowań molekularnych. Zademonstrowano złożone kształty, ale niestety DNA powlekane metalem, które przewodzi elektryczność, jest zbyt grube, aby połączyć się z pojedynczymi cząsteczkami. Cieńszy powleczony DNA nie ma łączności elektronicznej i nie nadaje się do łączenia elementów elektroniki molekularnej.
Niektóre odmiany nanorurek węglowych (CNT) przewodzą, a łączność na ich końcach można osiągnąć poprzez dołączenie grup łączących. Niestety wytwarzanie CNT o określonych właściwościach jest obecnie niemożliwe, a funkcjonalizowane końce zwykle nie przewodzą, co ogranicza ich użyteczność jako łączników molekularnych. Pojedyncze CNT można lutować w mikroskopie elektronowym, ale styk nie jest kowalencyjny i nie można go złożyć samodzielnie.
Zademonstrowano możliwe drogi budowy większych obwodów funkcjonalnych przy użyciu Mo 6 S 9-x I x MW, albo przez nanocząsteczki złota jako łączniki, albo przez bezpośrednie połączenie z tiolowanymi cząsteczkami. Te dwa podejścia mogą prowadzić do różnych możliwych zastosowań. Wykorzystanie PNB daje możliwość rozgałęziania i budowy większych obwodów.
Inne badania
Druty molekularne można włączać do polimerów , poprawiając ich właściwości mechaniczne i/lub przewodzące. Poprawa tych właściwości polega na równomiernym rozproszeniu drutów w polimerze macierzystym. Przewody MoSI zostały wykonane z takich kompozytów, opierając się na ich lepszej rozpuszczalności w polimerowym gospodarzu w porównaniu z innymi nanoprzewodami lub nanorurkami. Wiązki przewodów można wykorzystać do poprawy właściwości tribologicznych polimerów, m.in. w elementach wykonawczych i potencjometrach. Niedawno zaproponowano, że skręcone nanoprzewody mogą działać jako nanourządzenia elektromechaniczne (lub nanowagi skrętne ) do pomiaru sił i momentów obrotowych w nanoskali z dużą precyzją.