Продолжаем публиковать материалы из блога Аркадия Курамшина, Разве есть повод радоваться, если выключатель, пока мы его не трогаем, не ломается целый год, а если начинаем трогать – способен обеспечить аж целых 100 циклов вкл./выкл. (удачная покупка изделия на Aliexpress не считается)? На самом деле есть! Можно порадоваться в том случае, если этот выключатель – всего лишь одна молекула.
Исследователям удалось создать переключатель, состоящий из одной-единственной молекулы, которая может превращаться из проводника электротока (положение «вкл.») в изолятор (положение «выкл.») и обратно (Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aaf6298). Предполагается, что новое молекулярное устройство может оказаться полезным не только для изготовления солнечных батарей и фотосенсоров, но и в разработке оптических логических систем.
Миниатюризация электроники в наше время – вещь уже достаточно привычная, однако исследователи не останавливаются на достигнутом: их главная цель – создание электронных схем и устройств из отдельных молекул. Без молекулярного переключателя все эти цепи и устройства просто не смогут работать, поэтому поиск молекул, способных в зависимости от воздействия вести себя то как проводник, то как изолятор, ведется особенно активно.
Кандидатами на роль таких переключателей являются диарилэтены, которые могут существовать и в закрытой конфигурации, проводящей электрический ток, и в открытой, которая «размыкает» цепь. Свободная молекула становится проводником при облучении УФ-светом, а диэлектриком – при воздействии видимым светом.
Увы, свободная молекула и эта же молекула, подсоединенная к электродам, ведут себя по-разному. В 2003 году выяснилось, что, если подключить молекулу диарилэтена к золотым электродам, она проводит электрический ток, но после того как ее «раскрывают» видимым светом, никакое УФ-излучение не возвращает ее в электропроводное состояние (Phys. Rev. Lett., 2003, 91, 207402 (DOI: 10.1103/PhysRevLett.91.207402)). Более свежие работы, в которых золотые электроды были заменены на графеновые, наоборот, показали, что для этих электродов диарилэтен остается в состоянии «всё включено», возможно из-за межмолекулярных взаимодействий диарилэтен-графен (Angew. Chem. Int. Ed., 2013, DOI: 10.1002/anie.201304301).
Неудача с графеновыми электродами не остановила исследователей из группы Сюфена Гуо (Xuefeng Guo) из Пекинского университета, и они решили отдалить диарилэтен от каждого графенового электрода тремя метиленовыми группами CH2, известными как гомологическая разность, синтезировав таким образом гомологи исходных молекулярных переключателей. Несмотря на кажущуюся простоту подхода, применить его оказалось не слишком легко, пока исследователям удалось получить только 46 таких молекулярных переключателей, но достигнутый результат превзошёл все ожидания (вот теперь и принимай на веру слова учителей химии о близости свойств гомологов).
По словам Гуо, все 46 молекулярных переключателей обратимо переходят из состояния «вкл.» в состояние «выкл.», каждое молекулярное устройство выдерживает по сотне таких обратимых переходов. Без внешнего воздействия новые переключатели остаются стабильными до года, тогда как их предшественники разрушались за минуты, часы и, в лучшем случае, дни.
Текст: Аркадий Курамшин
На фото: схематичное изображение молекулярного переключателя (Рисунок из Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aaf6298)
Covalently bonded single-molecule junctions with stable and reversible photoswitched conductivity. Chuancheng Jia et. al., Science 17 Jun 2016:Vol. 352, Issue 6292, pp. 1443-1445 DOI: 10.1126/science.aaf6298