Verdrillte Moleküldrähte weisen eine hohe Einzelmolekül-Leitfähigkeit auf

Von den Hochspannungsleitungen, die Strom über weite Strecken transportieren, bis zu den Wolframfäden in unseren Glühlampen haben wir uns vielleicht daran gewöhnt, dass elektrische Leiter immer aus Metall bestehen. Doch seit Jahrzehnten arbeiten Wissenschaftler an fortschrittlichen Materialien auf der Basis von kohlenstoffbasierten Oligomerketten, die ebenfalls Strom leiten können. Dazu gehören die organischen Leuchtdioden, die in einigen modernen Smartphones und Computern zu finden sind.

In der Quantenmechanik sind Elektronen nicht einfach Punktteilchen mit bestimmten Positionen, sondern können über einen Bereich „delokalisiert“ werden. Ein Molekül mit einer langen Strecke abwechselnder Einfach- und Doppelbindungen hat eine Pi-Konjugation, und leitfähige Polymere funktionieren, indem sie delokalisierten Elektronen erlauben, zwischen Pi-konjugierten Bereichen hin- und herzuspringen – ähnlich wie ein Frosch zwischen nahegelegenen Pfützen hin- und herspringt.

Die Effizienz dieses Prozesses wird jedoch durch Unterschiede in den Energieniveaus benachbarter Bereiche begrenzt. Die Herstellung von Oligomeren und Polymeren mit einheitlicheren Energieniveaus kann zu einer höheren elektrischen Leitfähigkeit führen, die für die Entwicklung neuer praktischer organischer Elektronik oder sogar Einzelmoleküldrähte erforderlich ist.

Nun, in einer Studie veröffentlicht In Das Journal der American Chemical SocietyForscher vom SANKEN (Institut für wissenschaftliche und industrielle Forschung) an der Universität Osaka haben mehrere Moleküldrähte im Nanometermaßstab mit periodischen Drehungen hergestellt.

Im Vergleich zu früheren Versuchen, bei denen eine lange Kette verwendet wurde, die zufällig rotieren konnte, bestanden diese Oligomere aus starren, verschmolzenen Bereichen, die durch gleichmäßig verteilte Drehungen voneinander getrennt waren. Die Forscher zeigten, dass ihre Proben eine höhere Leitfähigkeit aufwiesen als nicht verschmolzene Oligothiophene.

„Durch sorgfältige Kontrolle der Größe dieser pi-konjugierten Regionen wurde in diesen Oligomeren unter Verwendung starrer Molekülstrukturen eine hohe Einzelmolekül-Leitfähigkeit erreicht“, sagt Ryo Asakawa, der Hauptautor der Studie.

Die Forscher hoffen, dass sich mit dieser Methode neue organische elektronische Geräte herstellen lassen, die in Form dünner chemischer Filme auf flexiblen Substraten kostengünstiger hergestellt werden können als mit herkömmlichen Verfahren auf Siliziumbasis, für deren Herstellung mittels Lithografie oft spezielle Reinräume erforderlich sind.

„Wir erwarten, dass diese Forschung zu besserer Einzelmolekülelektronik und organischen Dünnschichtgeräten führen wird“, sagt der leitende Autor Yutaka Ie. Einzelne Moleküldrähte könnten sogar als biokompatible Sensoren in lebenden Zellen eingesetzt werden.