I monostrati organici autoassemblati (SAM) esistono da oltre quarant'anni. La forma più utilizzata è a base di tioli, legato a una superficie metallica. Però, sebbene i SAM tiolici siano molto versatili, sono anche chimicamente instabili. L'esposizione di questi monostrati all'aria porterà all'ossidazione e alla rottura in un solo giorno. Gli scienziati dell'Università di Groningen hanno ora creato SAM utilizzando buckyball funzionalizzati con "code" di glicole etilenico. Queste molecole producono monostrati autoassemblati che hanno tutte le proprietà dei SAM tiolici ma rimangono chimicamente invariati per diverse settimane se esposti all'aria. Questa robustezza li rende molto più facili da usare nella ricerca e nei dispositivi. Un articolo su questi nuovi SAM è stato pubblicato in Materiali della natura il 30 gennaio.

I monostrati autoassemblati sono strutture dinamiche, spiega Ryan Chiechi, professore associato di chimica e dispositivi dei materiali organici dell'Università di Groningen:"Questi monostrati si autoriparano e le molecole troveranno continuamente l'imballaggio più efficiente. Inoltre, tutti i processi sono reversibili, ed è possibile modificarne la composizione." Questo distingue i SAM dagli altri monostrati che vengono utilizzati per funzionalizzare le superfici. "Questi sono spesso molto stabili, ma non si autoassemblano e mancano della dinamica dei SAM."

Tunneling quantistico

I SAM basati sul legame di tioli (gruppi contenenti zolfo) al metallo sono ampiamente studiati e utilizzati. Le applicazioni dei SAM vanno dal controllo della bagnatura o dell'adesione alle superfici, creare resistenza chimica in litografia, alla produzione di sensori o alla nanofabbricazione. I monostrati possono essere utilizzati anche per produrre elettronica molecolare. Chiechi afferma, "La corrente elettrica passerà attraverso un tale monostrato mediante tunneling quantistico. E piccole modifiche allo strato molecolare possono alterare le proprietà di tunneling. Attraverso tale adattamento chimico, è possibile creare nuovi tipi di elettronica."

Però, i SAM a base tiolica più utilizzati sono sensibili all'ossidazione se esposti all'aria. Senza protezione, non dureranno un solo giorno. "Ciò significa che hai bisogno di tutti i tipi di apparecchiature per tenere fuori l'aria quando lavori con questi SAM per l'elettronica molecolare, " spiega Chiechi. "Rende anche difficile usarli in un contesto biologico".

Buckyball funzionalizzati

È qui che entrano in gioco i nuovi SAM basati sul buckyball. In uno sforzo congiunto, scienziati dello Stratingh Institute for Chemistry e dello Zernike Institute for Advanced Materials dell'Università di Groningen hanno scoperto e caratterizzato le proprietà dei fullereni funzionalizzati con etere glicole. I buckyball aderiscono alle superfici metalliche anche più forte dei tioli. Le code glicole-etere sono polari e in solventi organici, questo induce la formazione di un doppio strato. "Basta mettere il metallo in una soluzione di questi buckyball funzionalizzati e il doppio strato si formerà attraverso l'autoassemblaggio, " dice Chiechi. Inoltre, I SAM così preparati sono molto resistenti all'ossidazione:se lasciati esposti all'aria, rimarranno intatti per almeno 30 giorni.

"I nostri risultati suggeriscono fortemente che le code delle molecole sono intrecciate. Ciò si traduce in una struttura stabile e molto dinamica in cui le molecole sono libere di muoversi, which is typical for a SAM, " says Chiechi. The outer layer can be replaced by adding other functionalized groups. Chiechi and his colleagues added spiropyrans (molecules that will change shape when exposed to UV light) connected to a glycol-ether tail. By placing an electrode on the outer layer, tunneling through the SAM was measured. The scientists showed that changing the shape of the spiropyran moiety with light also changed the conductance by several orders of magnitude.

Molecular electronics

There are other alternatives for thiol-based SAMs but they all have limitations. "We believe that our SAMs have all the properties of thiol-based SAMs, with resistance to degradation by air as a large bonus, " concludes Chiechi. "Furthermore, we have shown that our system can be used to create molecular electronics." And it also appears to be a very useful platform for studying the behavior of SAMs. "You can do this on your lab bench without any need for protection." Chiechi thinks that his system might be useful for studying the behavior of bilayers, including the lipid bilayers that form cell membranes.

The ability to change the composition of the SAMs opens up interesting applications in molecular electronics. Chiechi:"This might be used to create a topological computer architecture, for neuromorphic computing." Changes in the composition of the SAM could produce a memristor and possibly a system for stochastic computing, which uses the probabilities of 1s and 0s to represent numbers in a bitstream. "This could be represented by the fraction of one type of molecule in the SAM." Before this can become a reality, però, more work will have to be done, Per esempio, to understand why the glycol-ether phase is such an efficient tunneling medium.