Самособирающиеся монослои представляют собой динамические структуры, объясняет доцент кафедры химии органических материалов и устройств Райан Чиечи из Университета Гронингена: «Эти монослои самовосстанавливаются, и молекулы будут постоянно находить наиболее эффективную упаковку. Кроме того, все процессы обратимы, и возможно изменение их состава.Это отличает SAM от других монослоев, которые используются для функционализации поверхностей. «Они часто очень стабильны, но они не собираются самостоятельно и им не хватает динамики, как у SAM.’
Квантовое туннелирование
SAM на основе связывания тиолов (серосодержащих групп) с металлом широко изучаются и используются. Области применения SAM варьируются от контроля смачивания или адгезии к поверхностям, создания химической стойкости в литографии до производства сенсоров или нанотехнологий. Монослои также могут быть использованы для производства молекулярной электроники. Чиечи: «Электрический ток будет проходить через такой монослой за счет квантового туннелирования».
А небольшие модификации молекулярного слоя могут изменить свойства туннелирования. Благодаря такому химическому подбору можно создавать новые типы электроники.’
Однако наиболее широко используемые SAM на основе тиолов чувствительны к окислению при контакте с воздухом. Без защиты они не протянут ни дня. «Это означает, что вам понадобится всевозможное оборудование, чтобы не пропускать воздух при работе с этими SAM для молекулярной электроники», – объясняет Чиечи. ‘Это также затрудняет их использование в биологическом контексте.’
Функционализированные бакиболлы
Здесь и появляются новые ЗРК на базе бакиболла. Совместными усилиями ученые из Института химии Стратинга и Института перспективных материалов Цернике при Университете Гронингена обнаружили и охарактеризовали свойства фуллеренов, функционализированных гликолевым эфиром. Бакиболлы прилипают к металлическим поверхностям даже сильнее, чем тиолы.
Хвосты гликолевого эфира полярны и в органических растворителях это вызывает образование бислоя. «Вы просто помещаете металл в раствор этих функционализированных букиболов, и двухслойный слой сформируется путем самосборки», – говорит Чиечи. Кроме того, приготовленные таким образом SAM очень устойчивы к окислению: при контакте с воздухом они остаются нетронутыми в течение как минимум 30 дней.
«Наши результаты убедительно свидетельствуют о том, что хвосты молекул переплетаются между собой. В результате получается стабильная и очень динамичная структура, в которой молекулы могут свободно двигаться, что типично для SAM », – говорит Чечи. Внешний слой может быть заменен добавлением других функционализированных групп.
Чиечи и его коллеги добавили спиропираны (молекулы, которые изменяют форму под воздействием ультрафиолета), связанные с гликолево-эфирным хвостом. Поместив электрод на внешний слой, было измерено туннелирование через SAM.
Ученые показали, что изменение формы спиропирановой части под действием света также изменяет проводимость на несколько порядков.
Молекулярная электроника
Существуют и другие альтернативы SAM на основе тиолов, но все они имеют ограничения. «Мы считаем, что наши SAM обладают всеми свойствами SAM на основе тиолов, а устойчивость к разложению в воздухе является большим плюсом», – заключает Чиечи. «Кроме того, мы показали, что нашу систему можно использовать для создания молекулярной электроники.«И это также кажется очень полезной платформой для изучения поведения SAM. ‘Вы можете сделать это на лабораторном столе без какой-либо защиты.Чиечи считает, что его система может быть полезна для изучения поведения бислоев, включая липидные бислои, которые образуют клеточные мембраны.
Возможность изменять состав SAM открывает интересные приложения в молекулярной электронике.
Чиечи: «Это может быть использовано для создания топологической компьютерной архитектуры для нейроморфных вычислений.’Изменения в составе SAM могут привести к созданию мемристора и, возможно, системы для стохастических вычислений, которая использует вероятности единиц и нулей для представления чисел в потоке битов. ‘Это может быть представлено долей одного типа молекул в SAM.Однако, прежде чем это станет реальностью, необходимо проделать дополнительную работу, например, чтобы понять, почему фаза гликоль-эфир является такой эффективной туннельной средой.