Luonnon johdottamat tarkkuusmolekyylit tulevaisuuden elektroniikalle

Empan tutkijat ovat ensimmäisinä onnistuneet sitomaan toiminnallisia metallikeskuksia sisältäviä orgaanisia porfyriinimolekyylejä grafeenin nanonauhaan atomitason tarkkuudella.

Tuloksena oleva hybridijärjestelmä on magneettisesti ja elektronisesti kytketty, mikä avaa tien laajalle joukolle sovelluksia molekyylielektroniikassa kemiallisesta sensoritekniikasta kvanttiteknologioihin.

Orgaaninen kemia, hiiliyhdisteiden kemia, on kaiken elämän perusta maapallolla. Metalleilla on kuitenkin myös keskeinen rooli monissa biokemiallisissa prosesseissa. Kun on kyse suurten, raskaiden metalliatomien "liittämisestä" kevyisiin orgaanisiin yhdisteisiin, luonto usein luottaa tiettyyn kemiallisten rakenteiden ryhmään: porfyriineihin. Nämä molekyylit muodostavat orgaanisen renkaan; sen keskelle voidaan "ankkuroida" yksittäisiä metalli-ioneja, kuten rautaa, kobolttia tai magnesiumia.

Porfyriinirunko muodostaa perustan ihmisveren hemoglobiinille, kasvien fotosynteettiselle klorofyllille ja lukuisille entsyymeille. Riippuen siitä, minkä metallin porfyriini sitoo, syntyvillä yhdisteillä voi olla laaja valikoima kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia. Kemistit ja materiaalitieteilijät ovat jo pitkään pyrkineet hyödyntämään tällaista porfyriinien joustavuutta ja toiminnallisuutta, myös molekyylielektroniikan sovelluksissa.

Jotta elektroniset komponentit – jopa molekyyliset – toimisivat, niiden on kuitenkin oltava yhteydessä toisiinsa. Yksittäisten molekyylien kytkeminen toisiinsa ei ole helppo tehtävä.

Mutta juuri tämän Empan nanotech@surfaces -laboratorion tutkijat ovat saavuttaneet yhteistyössä Max Planck -polymeeritutkimuslaitoksen synteettisten kemistien kanssa. He ovat onnistuneet kiinnittämään porfyriinejä grafeenin nanonauhaan täysin tarkasti ja hyvin määritellyllä tavalla.

Empan tutkijat käyttivät molekyylijohtimena vain yhden nanometrin levyistä grafeeninauhaa, jossa on siksak-reunat. Näiden reunojen varrella porfyriinimolekyylit on telakoitu täysin säännöllisin välein vuorotellen nauhan vasemman ja oikean puolen välillä.

”Grafeeninauhamme osoittavat erityistä magnetismia siksak-reunansa ansiosta”, selittää tutkimuksen päätekijä Feifei Xiang. Porfyriinimolekyylien metalliatomit ovat puolestaan magneettisia ”tavanomaisemmalla” tavalla.

Ero liittyy elektronien spineihin, jotka tuottavat magnetismin.

Vaikka metallikeskuksen spiniä kuljettavat elektronit pysyvät lokalisoituneina metalliatomiin, grafeeninauhan vastaavat elektronit ”leviävät” molempia reunoja pitkin. ”Porfyriinien kytkennän grafeenirunkoon ansiosta olemme onnistuneet yhdistämään molemmat magnetismityypit yhdeksi systeemiksi”, selittää tutkimuksen toinen kirjoittaja Oliver Gröning.

Tämä kytkentä avaa monia ovia molekyylielektroniikan alalla. Grafeeninauha toimii sekä sähkö- että magneettijohtimena – eräänlaisena nanomittakaavan "kaapelina" porfyriinimolekyylien välillä. Tällaisten grafeeninanonauhojen korreloitunut magnetismi katsotaan erityisen lupaavaksi kvanttiteknologian sovelluksissa, joissa magnetismin taustalla oleva spin toimii informaation kantajana. "Grafeeninauhamme porfyriinien kanssa voisi toimia sarjana toisiinsa liittyviä kubitteja", sanoo Roman Fasel".

”Järjestelmämme on työkalupakki, jota voidaan käyttää erilaisten ominaisuuksien säätämiseen”, Fasel sanoo. Seuraavaksi tutkijat aikovat tutkia porfyriinien sisällä olevia erilaisia metallikeskuksia ja selvittää niiden vaikutuksia. He pyrkivät myös laajentamaan grafeeninauharunkoa, mikä antaisi molekyylijärjestelmälleen entistä monipuolisemman elektronisen perustan.

Aiheesta aiemmin:

Molekyylistä materiaali tietokonesiruille

Elektronien hallintaa molekyyleissä

Molekyylielektroniikan johteita ja kytkimiä