Samoosadzalne nanostruktury o precyzyjnie atomowej strukturze i dostosowanych właściwościach elektronicznych

Anonim

Organizmy biologiczne są najbardziej złożonymi maszynami, jakie znamy i są zdolne do osiągania wymagających funkcji z dużą wydajnością.

Wspólnym tematem w tych bio-maszynach jest to, że wszystko, co ważne, dzieje się na poziomie pojedynczych cząsteczek - to jest w nanoskali.

Funkcjonalność tych bio-systemów opiera się na samoorganizacji - to jest, że cząsteczki oddziałują precyzyjnie i selektywnie ze sobą, tworząc dobrze zdefiniowane struktury. Dobrze znanym przykładem tego zjawiska jest podwójna helisa DNA.

Teraz, zainspirowany samoskładającymi się bio-systemami, międzynarodowa grupa naukowców, w tym fizyków FLEET, stworzyła nowy, oparty na węglu, samoskładający się nanomateriał, który może być kluczem do nowych technologii fotowoltaicznych i katalizy.

Wykorzystując samoorganizację, naukowcy byli w stanie opracować, z dokładnością atomową, nową nanostrukturę 1-D złożoną z cząsteczek organicznych (węglowych) i atomów żelaza.

Odkrycia zostały opisane w dwóch badaniach opublikowanych w tym miesiącu w Nature Communications i ACS Nano.

Dokładność w skali atomowej poprzez samoorganizację: droga do funkcjonalności

"Wytwarzanie nanomateriałów poprzez kontrolowanie pozycji pojedynczych atomów i cząsteczek po jednym na raz jest bardzo męczące, jeśli nie niemożliwe" - mówi główny naukowiec dr Agustin Schiffrin, starszy wykładowca na Uniwersytecie Monash i główny badacz FLEET.

"Zamiast tego możemy tworzyć precyzyjnie atomowe struktury poprzez samoorganizację, wybierając właściwe cząsteczki, atomy i warunki przygotowania."

"Ma to tę zaletę, że nie jest wymagana żadna interwencja zewnętrzna" - wyjaśnia dr Schiffrin.

Taka zdolność do samodzielnego składania się wynika z zastosowania cząsteczek organicznych (to jest węglowych) jako budujących nanocząstek.

Kształt, rozmiar i oddziałujące grupy funkcyjne tych cząsteczek organicznych można dostroić na niemal nieskończoną liczbę sposobów za pomocą organicznej chemii syntetycznej.

Kontrola interakcji między cząsteczkami prowadzi do stworzenia pożądanej, dobrze zdefiniowanej nanostruktury, podobnie jak interakcje między kwasami nukleinowymi w DNA prowadzą do podwójnej helisy.

"Możemy w ten sposób budować materiały o bardzo precyzyjnej, inżynierskiej strukturze, co powoduje, że materiał ma pożądane właściwości elektroniczne" - mówi współautor Marina Castelli, doktorantka. student w Szkole Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Monash.

"Podobnie jak funkcje bio-organizmów zależą od interakcji w nanoskali, fizyczne i elektroniczne właściwości tych nowych materiałów pochodzą z ich struktury na poziomie pojedynczej cząsteczki", wyjaśnia Monash Research Fellow Dr. Cornelius Krull.

Do dołu bije z góry na dół

Konwencjonalne metody nanofabrykacji materiału, takie jak litografia, opierają się na podejściach "odgórnych" z materiałami wzorowanymi na usuwaniu materii. Takie metody są w najlepszym przypadku ograniczone do rozdzielczości rzędu 1 nanometra.

Zamiast tego metody "oddolne" mogą pozwolić na rozdzielczość wzorców poniżej nanometrów, co może zapewnić wyższy poziom kontroli i wydajności właściwości elektronicznych.

Ponadto zastosowanie podejścia "oddolnego" do syntezy z powierzchnią jako substratem pozwala na nanostruktury o właściwościach, których nie można osiągnąć za pomocą konwencjonalnych metod syntetycznych.

Nanomateriały oparte na metaliczno-organicznych kompleksach molekularnych pozwalają na szeroki zakres użytecznych funkcji, zarówno technologicznych, jak i biologicznych, od katalizy do fotowoltaiki po wykrywanie gazu i przechowywanie.

W tych systemach istotną rolę odgrywa morfologia w skali atomowej i elektroniczna konfiguracja motywu koordynacji metaliczno-organicznej, dyktująca ich ogólne właściwości elektroniczne i chemiczne.

Te dwa badania

Artykuł "Projektowanie właściwości optoelektronicznych za pomocą syntezy na powierzchni: tworzenie i elektronowa struktura kompleksu makromolekularnego żelaza i terpirydyny", opublikowany w ACS Nano, opisuje zależność energetyczną i przestrzenną stanów elektronicznych (zajętych i niezajętych) żelazka 1-D nanostruktura metaliczno-organiczna w zakresie energii w pobliżu poziomu Fermiego, która może być przydatna w zastosowaniach optoelektronicznych, takich jak fotowoltaika, fotokataliza i urządzenia emitujące światło.

Badanie struktury i chemii na poziomie pojedynczego atomu Praca "Trójwartościowe nanostruktury metaliczno-organiczne oparte na żelazie na powierzchni z lokalną akumulacją ładunku", opublikowana w Nature Communications, opisuje w skali atomowej strukturę wewnątrzcząsteczkową i rozkład ładunków nietrywialnych. motyw koordynujący żelazo-cząsteczka, użyteczny w zastosowaniach katalizy.

menu
menu