L'autore principale La studentessa di dottorato FLEET Marina Castelli (Monash) esamina i campioni al microscopio a effetto tunnel (STM). Credito:Monash University
Le interazioni a lunga distanza tra le singole molecole potrebbero creare un nuovo modo di calcolare?
Le interazioni tra le singole molecole su una superficie metallica si estendono per distanze sorprendentemente grandi, fino a diversi nanometri.
Un nuovo studio, appena pubblicato, della mutevole forma degli stati elettronici indotta da queste interazioni, ha potenziali applicazioni future nell'uso di molecole come unità indirizzabili individualmente.
Per esempio, in un futuro computer basato su questa tecnologia, lo stato di ogni singola molecola potrebbe essere controllato, rispecchiare il funzionamento binario dei transistor nel calcolo corrente.
Misurare interazioni molecolari socialmente distanti su una superficie metallica
La collaborazione tra Monash e l'Università di Melbourne ha studiato le proprietà elettroniche della ftalocianina di magnesio (MgPc) spruzzata su una superficie metallica.
MgPc è simile alla clorofilla responsabile della fotosintesi.
Con attenzione, misurazioni al microscopio a scansione di precisione atomica, i ricercatori hanno dimostrato che le proprietà quantomeccaniche degli elettroni all'interno delle molecole, vale a dire la loro energia e distribuzione spaziale, sono significativamente influenzate dalla presenza di molecole vicine.
Molecole di MgPc singole e accoppiate. Mentre la struttura molecolare rimane inalterata dalla presenza della molecola vicina (immagini di microscopia a forza atomica, superiore), distribuzione degli elettroni (mappe spettroscopiche a effetto tunnel, in basso) è notevolmente alterato. Credito: Piccolo
Questo effetto, in cui la superficie metallica sottostante gioca un ruolo chiave, si osserva per distanze di separazione intermolecolari di diversi nanometri, significativamente più grande del previsto per questo tipo di interazione intermolecolare.
Queste intuizioni dovrebbero informare e guidare il progresso nello sviluppo di tecnologie elettroniche e optoelettroniche a stato solido costruite da molecole, Materiali 2-D e interfacce ibride.
Osservazione diretta dei cambiamenti nella simmetria e nell'energia degli orbitali molecolari
Il ligando della ftalocianina (Pc) 'quadrifoglio', quando decorato con un atomo di magnesio (Mg) al centro, fa parte del pigmento della clorofilla responsabile della fotosintesi nei bio organismi.
Le metallo-ftalocianine sono esemplari per la sintonizzabilità delle loro proprietà elettroniche scambiando l'atomo di metallo centrale e i gruppi funzionali periferici, e la loro capacità di autoassemblarsi in strati singoli e nanostrutture altamente ordinati.
Le misurazioni all'avanguardia della microscopia a scansione di sonda hanno rivelato un'interazione sorprendentemente a lungo raggio tra le molecole di MgPc adsorbite su una superficie metallica.
L'analisi quantitativa dei risultati sperimentali e la modellazione teorica hanno mostrato che questa interazione era dovuta alla miscelazione tra gli orbitali della meccanica quantistica, che determinano la distribuzione spaziale degli elettroni all'interno della molecola, delle molecole vicine. Questa miscelazione orbitale molecolare porta a cambiamenti significativi nelle energie degli elettroni e nelle simmetrie di distribuzione degli elettroni.
La caratteristica ftalocianina a quadrifoglio (Pc), quando decorato con un atomo di magnesio (Mg) al centro, fa parte del pigmento della clorofilla responsabile della fotosintesi nei bio organismi. Credito:immagine AFM
Il lungo raggio dell'interazione intermolecolare è il risultato dell'adsorbimento della molecola sulla superficie metallica, che "diffonde" la distribuzione degli elettroni della molecola.
"Abbiamo dovuto spingere il nostro microscopio a scansione a sonda a nuovi limiti in termini di risoluzione spaziale e complessità di acquisizione e analisi dei dati, " afferma l'autrice principale e membro della FLEET, la dott.ssa Marina Castelli.
"È stato un grande cambiamento nel modo di pensare quantificare l'interazione intermolecolare dal punto di vista delle simmetrie della distribuzione spaziale degli elettroni, invece dei tipici cambiamenti spettroscopici di energia, che può essere più sottile e fuorviante. Questa è stata l'intuizione chiave che ci ha portato al traguardo, e anche perché pensiamo che questo effetto non sia stato osservato in precedenza".
"È importante che l'eccellente accordo quantitativo tra esperimento e teoria atomistica DFT ha confermato la presenza di interazioni a lungo raggio, dandoci grande fiducia nelle nostre conclusioni, ", afferma il collaboratore Dr. Muhammad Usman dell'Università di Melbourne.
I risultati di questo studio possono avere grandi implicazioni nello sviluppo di future tecnologie elettroniche e optoelettroniche allo stato solido basate su molecole organiche, Materiali 2-D e interfacce ibride.
