První měření vodivosti anti-aromatických molekulárních obvodů

Čeští vědci z Fyzikálního ústavu AV ČR ve spolupráci s kolegy z Japonska poprvé vytvořili molekulární obvod skládající se z anti-aromatických molekul. Anti-aromatické molekuly obsahují 4n elektronů v elektronovém π systému na rozdíl od aromatických molekul s 4n+2 elektrony, ale vykazují vyšší elektrickou vodivost. V článku publikovaném v časopise Nature Communications čeští a japonští vědci vysvětlují původ této vysoké vodivosti ve srovnání s aromatickými protějšky.

Tým japonských a českých vědců poprvé změřil elektrickou vodivost anti-aromatického molekulárního obvodu. Takzvané jedno-molekulární obvody jsou tvořené právě jednou organickou molekulou (aktivní elektronická složka), která přemosťuje dvě kovové nano-elektrody (viz. obr.). Tyto molekulární obvody představují poslední hranici miniaturizace elektroniky. Zároveň velké množství dostupných organických molekul nabízí možnost dosažení téměř neomezených funkcí obvodu. V článku publikovaném v časopise Nature Communications, čeští a japonští vědci ukazují, že anti-aromatická molekula je mnohem vodivější než její aromatický protějšek. Tato práce otevírá novou cestu pro molekulové obvody založené na anti-aromaticitě.

Obrázek: Schematický obrázek molekulárního obvodu. Molekula je kontaktována dvěma ostrými nanoelektrodami a je mezi nimi aplikováno malé elektrické napětí. Elektrický proud protékající skrze tento molekulární obvod je určen chemickými vlastnostmi molekuly. V této práci byla vůbec poprvé měřena elektrická vodivost pravé anti-aromatické molekuly. Měření prokázala daleko větší vodivost anti-aromatické molekuly než jejího aromatického protějšku.

Aromatické molekuly mají cyklické rovinné π systémy obsahující 4n + 2 elektronů (kde n je přirozené číslo) a jsou v současné době hojně používány v molekulární elektronice, elektroluminiscenčních zařízeních a organických fotovoltaických článcích. Oligoaceny, thiofeny nebo porfyriny jsou dobře známé příklady aromatických sloučenin. Anti-aromatické molekuly místo toho mají 4n π elektronů a jsou notoricky nestabilní a těžko syntetizovatelné. V sedmdesátých letech elektrochemická měření oxidačně-redukčních potenciálů naznačila, že anti-aromatické molekuly by mohly být vhodným kandidátem pro elektrický transport v molekulárních obvodech. Snahy o měření vodivosti skrze skutečně anti-aromatické molekuly však nebyly dosud úspěšné. V této práci, česko-japonský tým syntetizoval a měřil anti-aromatický molekulární complex na bázi niklu a porovnal jej se strukturně obdobným aromatickým protějškem na bázi porfirínu.

Japonský tým složený ze skupiny prof. Kiguchi z Tokijského technologického institutu a skupiny prof. Shinokubo z Nagoyské univerzity syntetizoval sloučeninu a poté použil techniku rastrovacího tunelovacího mikroskopie k měření její vodivosti. Během těchto měření byla molekula opakovaně přiváděna do kontaktu s hrotem mikroskopu a současně byl zaznamenáván elektrický proud (vodivost = inverzní odpor nebo I / V) indukovaný přiloženým malým elektrickým napětím. Při absenci molekul se pozoroval exponenciálně tlumený tunelovací proud. Nicméně když se dostala molekula do kontaktu s hrotem, byla pozorována charakteristická konstantní hodnota proudu skrz molekulu, která odpovídá její elektrické vodivosti. Z tisíců měření se pak sestavily vodivostní histogramy a měřila se statisticky významná hodnota vodivosti.

Simulace elektronového transportu v těchto molekulách byla provedena ve skupině Dr. Héctora Vázqueze, který působí jako Purkyně Fellow ve Fyzikálním ústavu Akademie věd České republiky. Narendra P. Arasu a Héctor Vázquez použili atomové simulace pro výpočet vodivých vlastností aromatických a anti-aromatických molekulárních obvodů. Jejich výpočty ukázaly, že vyšší vodivost anti-aromatické molekuly je způsobena jeho příznivějším přizpůsobením hraničních orbitalů na rozhraní kovových elektrod a molekulární orbital anti-aromatické molekuly se nachází blíže Fermiho hladiny než v aromatickém systému, v souladu experimentálními měřeními vodivosti.

Kromě potvrzení dlouhodobé předpovědi o vodivosti anti-aromatických molekul, tato práce demonstruje potenciál anti-aromatických molekul jako vhodných materiálů pro molekulární elektrické obvody.

Reference
S. Fujii, S. Marqués-González, J.Y. Shin, H. Shinokubo, T. Masuda, T. Nishino, N.P. Arasu, H. Vázquez and M. Kiguchi, Highly-conducting molecular circuits based on antiaromaticity, ‎Nat. Commun. 8, Article number: 15984 (2017)

https://www.nature.com/articles/ncomms15984