stringtranslate.com

Молекулярный провод

Молекулярные провода (или иногда называемые молекулярными нанопроводами) — это молекулярные цепи, проводящие электрический ток. Они являются предлагаемыми строительными блоками для молекулярных электронных устройств. Их типичный диаметр составляет менее трех нанометров, в то время как их длина может быть макроскопической, простираясь до сантиметров и более.

Примеры

Большинство типов молекулярных проводов получены из органических молекул. Одним из природных молекулярных проводов является ДНК . Известные неорганические примеры включают полимерные материалы, такие как Li 2 Mo 6 Se 6 [1] и Mo 6 S 9−x I x , [2] [3] [4] [Pd 4 (CO) 4 (OAc) 4 Pd(acac) 2 ], [5] и одномолекулярные протяженные цепи атомов металлов (EMAC), которые включают цепочки атомов переходных металлов, непосредственно связанных друг с другом. [6] Молекулярные провода, содержащие парамагнитные неорганические фрагменты, могут демонстрировать пики Кондо .

Структура молекулярной проволоки Mo 6 S 9−x I x . Атомы Mo обозначены синим цветом, атомы йода — красным, а атомы серы — желтым.

Электропроводность

Молекулярные провода проводят электричество. Обычно они имеют нелинейные вольт-амперные характеристики и не ведут себя как простые омические проводники. Проводимость следует типичному степенному закону поведения как функция температуры или электрического поля, в зависимости от того, что больше, вытекающему из их сильного одномерного характера. Многочисленные теоретические идеи были использованы в попытке понять проводимость одномерных систем, где сильные взаимодействия между электронами приводят к отклонениям от нормального металлического ( ферми-жидкостного ) поведения. Важными концепциями являются концепции, введенные Томонагой , Латтинжером и Вигнером . Было также обнаружено, что эффекты, вызванные классическим кулоновским отталкиванием (называемым кулоновской блокадой ), взаимодействиями с колебательными степенями свободы (называемыми фононами ) и квантовой декогеренцией [7], важны для определения свойств молекулярных проводов.

Синтез

Разработаны методы синтеза различных типов молекулярных проводов (например, органических молекулярных проводов и неорганических молекулярных проводов). [8] Основной принцип заключается в сборке повторяющихся модулей. Органические молекулярные провода обычно синтезируются посредством реакций кросс-сочетания, опосредованных переходными металлами .

Органические молекулярные провода

Органические молекулярные провода обычно состоят из ароматических колец , соединенных этиленовой группой или ацетиленовыми группами. Реакции кросс-сочетания, опосредованные переходными металлами, используются для соединения простых строительных блоков вместе конвергентным образом для построения органических молекулярных проводов. Например, простой молекулярный провод олиго (фениленэтилнилен) типа (B) был синтезирован, начиная с легкодоступного 1-бром-4-иодбензола (A). [9] Конечный продукт был получен через несколько этапов реакций сочетания Соногаширы .

Синтез простого органического молекулярного провода.

Другие органические молекулярные провода включают углеродные нанотрубки и ДНК . Углеродные нанотрубки могут быть синтезированы с помощью различных нанотехнологических подходов. ДНК может быть получена либо путем пошагового синтеза ДНК на твердой фазе, либо путем репликации, катализируемой ДНК-полимеразой внутри клеток.

Недавно было показано, что пиридин и полимеры, полученные из пиридина, могут образовывать электронно-проводящие полиазаацетиленовые цепи при простом ультрафиолетовом облучении, и что общее наблюдение «потемнения» старых образцов пиридина частично обусловлено образованием молекулярных проводов. Гели показали переход между ионной проводимостью и электронной проводимостью при облучении. [10]

Образование полиазаацетиленов из поли-(4-винил)пиридина под действием ультрафиолетового света

Неорганические молекулярные провода

Один класс неорганических молекулярных проводов состоит из субъединиц, связанных с кластерами Шевреля. Синтез Mo 6 S 9−x I x был выполнен в запаянной и вакуумированной кварцевой ампуле при 1343 К. В Mo 6 S 9−x I x повторяющиеся единицы представляют собой кластеры Mo 6 S 9−x I x , которые соединены вместе гибкими серными или йодными мостиками. [11]

Цепи также могут быть получены из металлоорганических прекурсоров. [12]

Иллюстрацией подхода координационной химии к молекулярным проводам являются протяженные цепочки атомов металла , например, этот комплекс Ni 9. [13]

Нанопровода вмолекулярная электроника

Чтобы быть полезными для соединения молекул, МВ должны самоорганизовываться по четко определенным маршрутам и образовывать надежные электрические контакты между ними. Чтобы воспроизводимо самоорганизовывать сложную схему на основе отдельных молекул. В идеале они должны подключаться к различным материалам, таким как золотые металлические поверхности (для соединений с внешним миром), биомолекулы (для наносенсоров, наноэлектродов, молекулярных переключателей) и, что самое важное, они должны допускать разветвление. Соединители также должны быть доступны с заранее определенным диаметром и длиной. Они также должны иметь ковалентную связь для обеспечения воспроизводимых свойств транспортировки и контакта.

Молекулы, подобные ДНК, обладают специфическим распознаванием на молекулярном уровне и могут использоваться в производстве молекулярных каркасов. Были продемонстрированы сложные формы, но, к сожалению, ДНК с металлическим покрытием, которая является электропроводящей, слишком толстая, чтобы соединяться с отдельными молекулами. ДНК с более тонким покрытием не имеет электронной связности и не подходит для соединения компонентов молекулярной электроники.

Некоторые разновидности углеродных нанотрубок (УНТ) являются проводящими, и соединение на их концах может быть достигнуто путем присоединения соединительных групп. К сожалению, производство УНТ с заранее определенными свойствами в настоящее время невозможно, а функционализированные концы обычно не являются проводящими, что ограничивает их полезность в качестве молекулярных соединителей. Отдельные УНТ можно спаять в электронном микроскопе, но контакт не является ковалентным и не может быть самоорганизован.

Были продемонстрированы возможные пути построения более крупных функциональных цепей с использованием Mo 6 S 9−x I x MW, либо через золотые наночастицы в качестве линкеров, либо путем прямого соединения с тиолированными молекулами. Эти два подхода могут привести к различным возможным применениям. Использование GNP дает возможность разветвления и построения более крупных цепей.

Другие исследования

Молекулярные провода могут быть включены в полимеры , улучшая их механические и/или проводящие свойства. Улучшение этих свойств зависит от равномерного распределения проводов в полимере-хозяине. Провода MoSI были изготовлены в таких композитах, полагаясь на их превосходную растворимость в полимерном хозяине по сравнению с другими нанопроводами или нанотрубками. Пучки проводов могут быть использованы для улучшения трибологических свойств полимеров с применением в приводах и потенциометрах. Недавно было предложено, что скрученные нанопровода могут работать как электромеханические наноустройства (или торсионные нановесы ) для измерения сил и крутящих моментов в наномасштабе с большой точностью. [14]

Ссылки

  1. ^ Тараскон, Дж. М.; Халл, Г. В.; Дисальво, Ф. Дж. (1984). «Простой синтез псевдоодномерных тройных халькогенидов молибдена M2Mo6X6 (X = Se,Te; M = Li,Na..Cs)». Mater. Res. Bull . 19 (7): 915–924. doi :10.1016/0025-5408(84)90054-0.
  2. ^ Врбани, Дэниел; Рем Кар, Майя; Джезих, Адольф; Мрзель, Але; Умек, Полона; Пониквар, Майя; Ян Ар, Бо Тьян; Меден, Антон; Новосел, Барбара; Пейовник, Стейн; Вентурини, Питер; Коулман, Дж.К.; Михайлови, Драган (2004). «Аэростабильные монодисперсные нанонити Mo 6 S 3 I 6 ». Нанотехнологии . 15 (5): 635–638. Бибкод : 2004Nanot..15..635V. дои : 10.1088/0957-4484/15/5/039. S2CID  250922114.
  3. ^ Perrin, C. & Sergent, M. (1983). «Новое семейство мономерных соединений с октаэдрическими кластерами молибдена: Mo6X8Y2». J. Chem. Res . 5 : 38–39. ISSN  1747-5198.
  4. ^ Д. Михайлович (2009). «Неорганические молекулярные провода: Физические и функциональные свойства полимеров халькогалогенидов переходных металлов». Прогресс в материаловедении . 54 (3): 309–350. doi :10.1016/j.pmatsci.2008.09.001.
  5. ^ Инь, Си; Уоррен, Стивен А.; Пан, Юнг-Тин; Цао, Кай-Чи; Грей, Даниэль Л.; Бертке, Джеффри; Янг, Хонг (2014). «Мотив для бесконечных металлических атомных проводов». Angewandte Chemie International Edition . 53 (51): 14087–14091. doi :10.1002/anie.201408461. PMID  25319757.
  6. ^ Коттон, Ф. Альберт; Мурильо, Карлос А. и Уолтон, Ричард А. (2005). Кратные связи между атомами металлов (3-е изд.). Springer. стр. 669–706. ISBN 0-387-25829-9.
  7. ^ Cattena, CJ; Bustos-Marun, RA; Pastawski, HM (2010). "Решающая роль декогеренции для электронного транспорта в молекулярных проводах: полианилин как пример". Physical Review B. 82 ( 14): 144201. arXiv : 1004.5552 . Bibcode : 2010PhRvB..82n4201C. doi : 10.1103/PhysRevB.82.144201. S2CID  119099069.
  8. ^ Джеймс, ДК; Тур, ДжМ (2005). «Молекулярные провода». Молекулярные провода и электроника . Темы в Current Chemistry. Том 257. Берлин: Springer. С. 33–62. doi :10.1007/b136066. ISBN 978-3-540-25793-6. PMID  22179334.
  9. ^ Тур, Дж. М.; и др. (2001). «Синтез и предварительное тестирование молекулярных проводов и устройств». Chem. Eur. J . 7 (23): 5118–5134. doi :10.1002/1521-3765(20011203)7:23<5118::aid-chem5118>3.0.co;2-1. PMID  11775685.
  10. ^ Ваганова, Е; Элиаз, Д; Шиманович, У; Лейтус, Г; Акад, Э; Локшин, В; Ходорковский, В (2021). "Светоиндуцированные реакции в поли(4-винилпиридин)/пиридиновых гелях: образование олигомеров 1,6-полиазаацетилена". Molecules . 26 (22): 6925. doi : 10.3390/molecules26226925 . PMC 8621047 . PMID  34834017. 
  11. ^ Михайлович, Д. (2009). «Неорганические молекулярные провода: Физические и функциональные свойства полимеров халькогалогенидов переходных металлов». Прогресс в материаловедении . 54 (3): 309–350. doi :10.1016/j.pmatsci.2008.09.001.
  12. ^ Ф. Альберт Коттон , Карлос А. Мурильо и Ричард А. Уолтон (редакторы), Множественные связи между атомами металлов , 3-е издание, Springer (2005).
  13. ^ Хуа, Шао-Ань; Лю, Исайя По-Чун; Хасанов, Хасан; Хуан, Джин-Чен; Исмаилов, Райят Хусейн; Чиу, Чиен-Лань; Йе, Чэнь-Ю; Ли, Джин-Сян; Пэн, Ши-Мин (2010). «Исследование электронной связи линейных гептаникелевых и неаникелевых струнных комплексов с использованием двух окислительно-восстановительно-активных фрагментов [Ni2(napy)4]3+» (PDF) . Dalton Transactions . 39 (16): 3890–6. doi :10.1039/b923125k. PMID  20372713.
  14. ^ Гарсия, Дж. К.; Хусто, Дж. Ф. (2014). «Скрученные ультратонкие кремниевые нанопровода: возможное торсионное электромеханическое наноустройство». Europhys. Lett . 108 (3): 36006. arXiv : 1411.0375 . Bibcode : 2014EL....10836006G. doi : 10.1209/0295-5075/108/36006. S2CID  118792981.

Внешние ссылки