Ученые создали молекулярные ключи с устойчивым переключением.

Статья, описывающая результаты исследования и озаглавленная «Molecular Engineering of the Polarity and Interactions of Molecular Electronic Switches», будет опубликована в Журнале американского химического общества в декабре. «Данная работа подтверждает наше предположение о том, как работают одномолекулярные ключи. – говорит Пол Вейсс (Paul S. Weiss), профессор Пенсильванского университета. – Их можно будет интегрировать в электронные схемы, но только лишь после того, как кто-нибудь найдет способ их электрического соединения».

Данное исследование – самое последнее в продолжающейся серии изучений жестких молекул, известных как OPE (oligo phenylene-ethynylenes). Ученые манипулируют структурой этих молекул для получения их различных физических, химических и электронных характеристик. Между тем, возможность применения OPE в качестве ключей до этого ограничивалась их склонностью к беспорядочному включению и выключению. Однако Вейсс и его коллеги нашли возможность снизить эту хаотичность. Поставив серию экспериментов, они показали, как и почему становится возможным контролировать данные ключи.

Для изучения свойств отдельных молекул OPE ученые вставили их в матрицу, имеющей вид «щетки», которая состояла из одинаковых алкантиольных молекул. Каждый конец вставленной молекулы был присоединен к тонкой золотой основе. Таким образом, в полученной системе, где каждая молекула OPE окружена алкантиольными молекулами, ученые получили возможность изучать их свойства с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Необходимо отметить, что исследователи синтезировали множество молекул OPE с различной величиной дипольного момента. Также были созданы молекулы, которые имели на конце, противоположном прикрепленному, положительный заряд, и те, которые имели отрицательный заряд.

Ученые обнаружили, что игла микроскопа может вытягивать молекулу OPE вверх, поднимая ее конец над окружающими молекулами, то есть переводить в состояние «включено» (см. рис.). При этом молекула должна иметь большой дипольный момент и заряд на свободном конце, противоположный заряду иглы микроскопа, чтобы между ними возникло притяжение. «Молекулы, удовлетворяющие таким требованиям, обеспечивают самое надежное переключение», - отмечает Вейсс. В том же случае, когда игла микроскопа и конец молекулы заряжены одноименно, между ними возникает отталкивание, что приводит к «нагибанию» молекулы (состояние «выключено»).

В своей работе исследователи также показали важность создания подходящего химического и электронного окружения молекул OPE. «Например, в некоторых ключах мы переставили нитрогруппу, так что молекулы приобрели большой дипольный момент и могли взаимодействовать с амидными группами окружающих молекул через образование водородных связей», - комментирует Вейсс. Проведенное после этого исследование показало, что взаимодействие молекулярных ключей со своим окружением имеет большое влияние на то, как долго они будут оставаться во «включенном» или «выключенном» состоянии. Данный вопрос актуален при хранении информации. Так, в созданной учеными системе состояния могут храниться в течение часов. «Именно химические взаимодействия стабилизируют состояния, предотвращая беспорядочные переключения», - резюмирует Вейсс.

переключение молекулярного ключа под действием иглы микроскопа