新型抗空气的自组装单分子层-巴克球为分子电子学的发展铺平了道路

基于功能化巴克球的自组装单层膜

这是艺术家对一层自组装的功能化巴克球的印象。富勒烯附着在金属表面,乙二醇醚的尾部诱导双分子层的自组装。上半部分可以被另一种化合物取代,当它也被乙二醇醚功能化时。这篇论文描述了连接乙醇醚尾部的螺吡喃(一种暴露在紫外线下会改变形状的分子)是如何取代上层的。图片来源:邱新凯,格罗宁根大学斯特拉廷化学研究所yabovip2021

有机自组装单分子膜(sam)已经存在了四十多年。最广泛使用的形式是基于硫醇,结合到金属表面。然而,虽然硫醇SAMs是非常通用的,他们也在化学上不稳定。这些单分子膜暴露在空气中会在一天内导致氧化和分解。格罗宁根大学的科学家们现在已经用乙二醇“尾部”功能化的巴基球创造出了sam。这些分子产生自组装的单分子膜,具有硫醇sam的所有特性,但暴露在空气中数周内化学性质不变。这种健壮性使它们更容易用于研究和设备。一篇关于这种新型地对空导弹的文章发表在自然材料最近。

自组装单层膜是动态结构,格罗宁根大学有机材料化学和设备副教授Ryan Chiechi解释说:“这些单层膜可以自我修复,分子将不断找到最有效的包装。yabovip2021此外,所有的过程都是可逆的,并且可以改变它们的组成。这将sam与其他用于表面功能化的单层膜区分开来。“它们通常非常稳定,但它们不能自组装,而且缺乏地对空导弹的动力。”

瑞安Chiechi教授

这位是格罗宁根大学有机材料化学与器件教授Ryan Chiechi。yabovip2021他是这篇论文的第一作者。图片来源:格罗宁根大学斯特拉廷化学研究所yabovip2021

量子隧穿

以硫醇(含硫基团)与金属结合为基础的三组分化合物(SAMs)得到了广泛的研究和应用。SAMs的应用范围从控制表面的润湿性或粘附性,在光刻中创造耐化学性,到传感器生产或纳米制造。这种单层膜也可以用来制造分子电子学。Chiechi:“电流将通过量子隧道通过这样的单层膜。对分子层的微小修饰可以改变其隧穿特性。通过这种化学剪裁,有可能创造出新型的电子产品。”

然而,应用最广泛的硫醇基SAMs暴露在空气中时对氧化很敏感。没有保护,它们连一天都撑不了。Chiechi解释说:“这意味着在使用这些SAMs进行分子电子工作时,你需要各种各样的设备来阻隔空气。”“这也使得在生物环境中使用它们变得困难。”

功能化的巴克球

这就是基于巴基球的新型地对空导弹发挥作用的地方。在一项共同努力中,来自格罗宁根大学斯特拉宁化学研究所和泽尼克先进材料研究所的科学家们发现了乙二醇醚功能化富勒烯的特性,并对其进yabovip2021行了表征。巴克球比硫醇更能附着在金属表面。乙二醇醚的尾部是极性的,并且在有机溶剂中,这诱导了双分子层的形成。Chiechi说:“你只需将金属放入这些功能化巴克球的溶液中,就会通过自我组装形成双层结构。”此外,用这种方法制备的SAMs非常抗氧化:当暴露在空气中时,它们将完好无损地保存至少30天。

“我们的研究结果强烈表明,这些分子的尾部是相互缠绕的。这就形成了一种稳定且动态的结构,分子可以自由移动,这是典型的SAM结构。外层可以通过添加其他功能化基团来取代。奇奇和他的同事添加了螺旋体吡喃(一种暴露在紫外线下会改变形状的分子)连接到乙醇醚的尾巴上。通过在外层放置电极,可以测量SAM的穿隧率。科学家们发现,用光改变螺吡喃部分的形状,电导也会发生几个数量级的变化。

分子电子学

硫醇型SAMs也有其他的替代品,但它们都有局限性。Chiechi总结道:“我们相信我们的SAMs具有硫醇基SAMs的所有特性,具有抗空气降解的特性。”“此外,我们已经证明我们的系统可以用于制造分子电子学。“这似乎也是研究地对空导弹行为的一个非常有用的平台。”“你可以在实验室的实验台上进行,不需要任何保护。Chiechi认为他的系统可能有助于研究双分子层的行为,包括形成细胞膜的脂质双分子层。

改变SAMs组成的能力在分子电子学中开辟了有趣的应用。Chiechi:“这可能被用来创建一个拓扑计算机架构,用于神经形态计算。SAM组成的变化可以产生一个忆阻器,也可能产生一个随机计算系统,该系统使用1和0的概率来表示比特流中的数字。“这可以用SAM中某一种分子的分数来表示。“然而,在这成为现实之前,还需要做更多的工作,例如,了解为什么乙二醇-醚相是如此有效的隧道介质。”

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参考文献:“无thiol自组装低聚乙烯二醇可实现强大的空气稳定分子电子”,作者:Xinkai Qiu, Viktor Ivasyshyn, Li Qiu, Mihaela Enache, Jingjin Dong, Sylvia Rousseva, Giuseppe Portale, Meike Stöhr, Jan C. Hummelen和Ryan C. Chiechi, 2020年1月20日,自然材料
DOI: 10.1038 / s41563 - 019 - 0587 - x

简单的科学总结

许多有机化合物会在表面自组装成一个分子层的结构,即所谓的自组装单层(SAM)。这些地对空导弹被科学家用于不同的目的。大多数SAMs是基于与含硫化学基团(硫醇)结合在表面的分子,但这些分子在空气中形成的复合物在化学上是不稳定的。来自格罗宁根大学(University of Groningen)的有机化学家利用带有乙二醇“尾部”的功能化碳巴基球创造了sam。这些分子产生自组装的单分子膜,具有硫醇sam的所有特性,但暴露在空气中数周内化学性质不变。这种坚固性使得它们更容易用于研究和设备,比如分子电子学。

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