Es gibt 1,2 Millionen verschiedene Moleküle und nur eines kann die Resistenz kontrollieren!

Vor kurzem ist es Forschern gelungen, einen Varistor aus einem einzigen Molekül herzustellen.

Geschrieben von Qu Lijian

Kürzlich haben Forscher der Universität Shanghai und mehrerer Universitäten in Australien zusammengearbeitet, um einen Einzelmolekül-Piezowiderstand in nanoelektromechanischen Systemen (NEMS) zu realisieren [1]. Durch die Anwendung unterschiedlich starker Kräfte auf dieses Molekül können unterschiedliche Widerstände erzielt werden, was den piezoresistiven Effekt zeigt.

Piezoresistiver Effekt und seine Anwendungen

Der piezoresistive Effekt wurde erstmals 1856 von Sir Kelvin (William Thomson) in metallischen Werkstoffen entdeckt. Er ist durch die Änderung des spezifischen Widerstandes gekennzeichnet, wenn eine äußere Kraft auf ihn ausgeübt wird.

Geräte, die den piezoresistiven Effekt nutzen, haben ein breites Anwendungsspektrum. Die häufigste Anwendung ist der Beschleunigungsmesser in Smartphones, der es uns ermöglicht, Schritte zu zählen; Es wird auch in Autos verwendet, um äußere Stöße zu erfassen und Airbags oder Antiblockiersysteme auszulösen. Materialien mit piezoresistivem Effekt wurden auch zu piezoresistiven Drucksensoren weiterentwickelt. Bei einer Druckänderung gibt die Schaltung ein dem Druck proportionales Signal aus, das die mechanische Kraft in andere messbare physikalische Größen umwandelt. Im medizinischen Bereich wird es beispielsweise zur Messung des Blutdrucks und in der Automobilindustrie zur Messung des Öldrucks und des Luftdrucks in Automotoren verwendet.

Piezoresistiver Drucksensor. Bildquelle: Wiki

Wie hat das gemeinsame Team der Universität Shanghai und Australiens entdeckt, dass auch einzelne Moleküle einen piezoresistiven Effekt aufweisen können?

Zuerst müssen wir ein einzelnes Molekül zu einem Schaltkreis verbinden, aber das Molekül ist zu klein, nur etwa 10 Nanometer. Wie schließen wir so ein kleines Ding an einen Stromkreis an?

Die Forscher erreichten dieses Ziel mithilfe der Rastertunnelmikroskopie-Technologie (STM-BJ, siehe Science 301, 1221–1223 (2003). Sie verwandelten die Sonde des Rastertunnelmikroskops (STM) in eine Elektrode und die andere Elektrode in einen goldbeschichteten Siliziumwafer. Sie schoben die Sondenelektrode wiederholt vor und zurück, sodass zwischen der Sonde und dem goldbeschichteten Siliziumwafersubstrat immer wieder ein nanometergroßer Spalt entstand. Wenn das Zielmolekül in diesen Nanometerspalt eindrang und die beiden Elektroden verband, bildete sich eine „Verbindung“ und der Einzelmolekülschaltkreis wurde verbunden, sodass relevante Messungen durchgeführt werden konnten. [2]

Schematische Darstellung der STM-BJ-Technologie. Bildquelle: Referenz [2]

Es gibt 1,2 Millionen verschiedene Moleküle

Das Molekül, das diesmal den piezoresistiven Einzelmoleküleffekt realisiert, heißt Bullvalen (Molekülformel C10H10). Wie der Name schon sagt, ist Octen ein sich schnell veränderndes Molekül – Kohlenstoffatome tauschen ständig ihre Positionen untereinander, ändern ständig ihre Struktur und können bis zu 1,2 Millionen verschiedene Strukturen haben. [3]

Fünf Strukturen des Octenmoleküls. Es gibt bis zu 1,2 Millionen mögliche Strukturen von Octenmolekülen. Bildquelle: Wiki

Das experimentelle Prinzip ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Forscher modifizierten die Instanten-Moleküle mit zwei aromatischen Ringgruppen und bereiteten die Lösung vor. Bewegen Sie die STM-Sonde nahe an den goldbeschichteten Siliziumwafer, bis der Abstand angemessen ist (0,7–1,5 Nanometer), warten Sie, bis das Molekül in den Spalt zwischen der Sonde und dem goldbeschichteten Siliziumwafer eintritt, und greifen Sie die beiden auf dem Molekül modifizierten Ringe. Zu diesem Zeitpunkt ist der Stromkreis verbunden.

Anschließend wird die Sonde langsam bewegt, um die Moleküle zu dehnen oder zu stauchen, während die Leitfähigkeit (der Kehrwert des spezifischen Widerstands) gemessen wird. Es wurde festgestellt, dass die Leitfähigkeit mit der Position der Sonde variiert, was den piezoresistiven Effekt zeigt.

Schematische Darstellung des Versuchsprinzips. Bildquelle: Referenz [1]

Warum ändert sich die Leitfähigkeit?

Wenn Moleküle gedehnt oder komprimiert werden, erfahren sie unterschiedliche Verformungen und weisen unterschiedliche Strukturen auf. Moleküle mit der gleichen Molekülformel, aber unterschiedlicher Struktur nennen wir Isomere. Verschiedene Isomere haben unterschiedliche elektrische Leitfähigkeiten. Isomere haben zwei Ursachen: Konstitutionsisomerie und Konformationsisomerie. Ersteres ergibt sich aus der unterschiedlichen Art und Weise, wie Atome miteinander verbunden sind, also aus der Ausbildung unterschiedlicher chemischer Bindungen; Letzteres ergibt sich aus der unterschiedlichen Verteilung der Atome im Raum, die auf die Rotation chemischer Bindungen zurückzuführen ist.

Für dieses Ergebnis führten die Forscher auch theoretische Simulationen durch, um den Mechanismus des piezoresistiven Einzelmoleküleffekts von Instanten zu klären: Strukturisomere beeinflussen die Leitfähigkeit, indem sie die Interferenz von Elektronenwellen beeinflussen, während die Wirkung von Konformationsisomeren auf die Leitfähigkeit aus der Wechselwirkung zwischen Molekülen und Elektroden resultiert. Die beiden Isomere beeinflussen auch die Bindung der aromatischen Ringgruppe an die Elektrode.

Potenzielle Anwendungen

Diese faszinierende Arbeit basiert auf der Kontrolle der Resistenz durch einzelne Moleküle und bietet attraktive Anwendungsmöglichkeiten. Beispielsweise kann daraus ein neuer Varistortyp für biomechanische Messungen und die Untersuchung mechanischer Probleme auf subzellulärer Ebene hergestellt werden [4]. Man geht davon aus, dass es zum Nachweis biologischer Makromoleküle wie Chemikalien, Proteinen und Enzymen eingesetzt wird. Außerdem ist eine technische Anwendung in der Mensch-Computer-Schnittstellentechnologie und bei Geräten zur Gesundheitsüberwachung möglich. [5]

Darüber hinaus bietet die Steuerung der Leitfähigkeit auf Einzelmolekülebene durch mechanische Kräfte das Potenzial, zum Aufbau molekularer Schaltkreise und damit zur Entwicklung hochminiaturisierter Geräte (mit einer Größe von nur 3 bis 100 Quadratnanometern) genutzt zu werden. [6]

Natürlich ist es von dieser Grundlagenforschung bis zur Realisierung dieser spannenden Anwendungen noch ein weiter Weg. Der direkteste Punkt besteht darin, die Kosten zu senken, teure Rastertunnelmikroskope abzuschaffen und eine kostengünstige experimentelle Plattform zu entwickeln.

Verweise

[1] Reimers, JR, Li, T., Birvé, AP et al. Steuerung des Piezowiderstands in einzelnen Molekülen durch die Isomerisierung von Bullvalenen. Nat Commun 14, 6089 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-41674-z

[2] Acta Physico-Chimica Sinica, 2019, 35(8): 829-839 doi: 10.3866/PKU.WHXB201811027

[3] Molekül der Woche-Archiv, 04.01.2005, ACS, https://www.acs.org/molecule-of-the-week/archive/b/bullvalene.html

[4] Norman, J., Mukundan, V., Bernstein, D. et al. Mikrosysteme für biomechanische Messungen. Pediatr Res 63, 576–583 (2008). https://doi.org/10.1203/PDR.0b013e31816b2ec4

[5] https://www.curtin.edu.au/news/media-release/electronic-sensor-the-size-of-a-single-molecule-a-potential-game-changer/

[6]Chem. Soc. Rev., 2014, 43,7378, https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2014/cs/c4cs00143e

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

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