Молекулярный провод

Молекулярные провода (или иногда называемые молекулярными нанопроволоками) представляют собой молекулярные цепочки, проводящие электрический ток. Они являются предлагаемыми строительными блоками для молекулярных электронные устройства. Их типичный диаметр составляет менее трех нанометров, а длина может быть макроскопической, достигая сантиметров и более.

Примеры

Большинство типов молекулярных проводов происходят из органических молекул. Одной из встречающихся в природе молекулярных нитей является ДНК . Яркие примеры неорганических веществ 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 вытянутые цепи атомов металлов (EMAC), которые состоят из цепочек атомов переходных металлов, непосредственно связанных друг с другом. ^[6] Молекулярные проволоки, содержащие парамагнитные неорганические фрагменты, могут иметь пики Кондо .

Проводимость электронов

Молекулярные провода проводят электричество. Обычно они имеют нелинейные вольт-амперные характеристики и не ведут себя как простые омические проводники. Проводимость подчиняется типичному степенному закону в зависимости от температуры или электрического поля, в зависимости от того, что больше, что обусловлено их сильным одномерным характером. Многочисленные теоретические идеи использовались в попытке понять проводимость одномерных систем, где сильные взаимодействия между электронами приводят к отклонениям от нормального металлического ( ферми-жидкостного ) поведения. Важными концепциями являются те, которые были предложены Томонагой , Латтинджером и Вигнером . Эффекты, вызванные классическим кулоновским отталкиванием (называемым кулоновской блокадой ), взаимодействием с колебательными степенями свободы (называемыми фононами ) и квантовой декогеренцией. ^[7] Также было обнаружено, что они важны для определения свойств молекулярных проводов.

Синтез

Были разработаны методы синтеза различных типов молекулярных нитей (например, органических молекулярных нитей и неорганических молекулярных нитей). ^[8] Основной принцип – сборка 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 ацетиленовой группой. Реакции кросс-сочетания, опосредованные переходными металлами, используются для конвергентного соединения простых строительных блоков с целью создания органических молекулярных проводов. Например, на основе легкодоступного 1-бром-4-иодбензола (А) была синтезирована простая молекулярная проволока олиго(фениленэтилниленового) типа (Б). ^[9] Конечный продукт был получен посредством нескольких стадий реакций сочетания Соногаширы .

Синтез простой органической молекулярной проволоки.

Другие органические молекулярные провода включают углеродные нанотрубки и ДНК . Углеродные нанотрубки можно синтезировать с помощью различных нанотехнологических подходов. ДНК можно получить либо путем поэтапного синтеза ДНК в твердой фазе, либо путем репликации, катализируемой ДНК-полимеразой, внутри клеток.

Недавно было показано, что пиридин и полимеры на его основе могут образовывать электропроводящие полиазаацетиленовые цепи под действием простого ультрафиолетового облучения, и что обычное наблюдение «потемнения» старых образцов пиридина частично связано с образованием молекулярных проволок. В гелях при облучении наблюдался переход между ионной проводимостью и электронной проводимостью. ^[10]

Неорганические молекулярные провода

Один класс неорганических молекулярных проводов состоит из субъединиц, относящихся к кластерам Шевреля . Синтез Mo ₆ S _9-x I _x проводился в запаянной и вакуумированной кварцевой ампуле при 1343 К. В Mo ₆ S _9-x I _x повторяющиеся звенья представляют собой кластеры Mo ₆ S _9-x I _x , которые соединены между собой. соединены гибкими серными или йодными мостиками. ^[11]

Цепи также можно производить из металлоорганических предшественников. ^[12]

Иллюстрацией подхода координационной химии к молекулярным проволокам являются протяженные цепочки атомов металлов , например, этот _{Ni 9 .} комплекс ^[13]

Нанопровода в молекулярной электронике

Чтобы быть полезными для соединения молекул, МВ должны самособираться по четко определенным маршрутам и образовывать между собой надежные электрические контакты. Воспроизводимо самостоятельно собрать сложную схему на основе отдельных молекул. В идеале они должны подключаться к различным материалам, таким как металлические поверхности золота (для связи с внешним миром), биомолекулы (для наносенсоров, наноэлектродов, молекулярных переключателей) и, самое главное, они должны допускать разветвления. Также должны быть доступны соединители заранее определенного диаметра и длины. Они также должны иметь ковалентную связь, чтобы обеспечить воспроизводимые транспортные и контактные свойства.

ДНК-подобные молекулы обладают специфическим распознаванием на молекулярном уровне и могут использоваться при изготовлении молекулярных каркасов. Были продемонстрированы сложные формы, но, к сожалению, ДНК, покрытая металлом и проводящая электричество, слишком толстая, чтобы соединяться с отдельными молекулами. ДНК с более тонким покрытием не имеет электронных связей 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 заданными свойствами в настоящее время невозможно, а функционализированные концы обычно не проводят ток, что ограничивает их полезность в качестве молекулярных соединителей. Отдельные УНТ можно спаять в электронном микроскопе, но контакт не ковалентен и самосборка невозможна.

возможные пути построения более крупных функциональных цепей с использованием молекулярных масс Mo ₆ S _9-x I _xБыли продемонстрированы либо через наночастицы золота в качестве линкеров, либо путем прямого соединения с тиолированными молекулами. Два подхода могут привести к различным возможным приложениям. Использование ВНП дает возможность разветвления и построения более крупных цепей.

Другие исследования

Молекулярные провода можно включать в полимеры , улучшая их механические и/или проводящие свойства. Улучшение этих свойств зависит от равномерного распределения проволок в полимере-основе. Провода MoSI были изготовлены из таких композитов, поскольку они обладают превосходной растворимостью в полимерной основе по сравнению с другими нанопроволоками или нанотрубками. Связки проводов можно использовать для улучшения трибологических свойств полимеров, а также для применения в приводах и потенциометрах. Недавно было высказано предположение, что скрученные нанопроволоки могут работать как электромеханические наноустройства (или торсионные нановесы ) для измерения сил и крутящих моментов на наноуровне с большой точностью. ^[14]

Ссылки

^ Тараскон, Дж. М.; Халл, Джорджия; Дисалво, Ф.Дж. (1984). «Простой синтез псевдоодномерных тройных халькогенидов молибдена M2Mo6X6 (X = Se, Te; M = Li, Na..Cs)». Матер. Рез. Бык . 19 (7): 915–924. дои : 10.1016/0025-5408(84)90054-0 .
^ Врбани, Дэниел; Рем Кар, Майя; Йеших, Адольф; Холодно, Але; Умек, Полона; Пониквар, Майя; Ян Ар, Бо Тьян; Дорогой, Антон; Новосел, Барбара; Автор песен, Стэн; 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 .
^ Перрин К. и Серджент М. (1983). «Новое семейство одномерных соединений с октаэдрическими кластерами молибдена: Mo6X8Y2». Дж. Хим. Рез . 5 : 38–39. ISSN 1747-5198 .
^ Д. Михайлович (2009). «Неорганические молекулярные проволоки: физические и функциональные свойства халькогалогенидных полимеров переходных металлов». Прогресс в материаловедении . 54 (3): 309–350. дои : 10.1016/j.pmatsci.2008.09.001 .
^ Инь, Си; Уоррен, Стивен А.; Пан, Юнг-Тин; Цао, Кай-Чье; Грей, Даниэль Л.; Бертке, Джеффри; Ян, Хун (2014). «Мотив для бесконечных проволок из атомов металла». Angewandte Chemie, международное издание . 53 (51): 14087–14091. дои : 10.1002/anie.201408461 . ПМИД 25319757 .
^ Коттон, Ф. Альберт; Мурильо, Карлос А. и Уолтон, Ричард А. (2005). Множественные связи между атомами металлов (3-е изд.). Спрингер. стр. 669–706 . ISBN 0-387-25829-9 .
^ Каттена, CJ; Бустос-Марун, РА; Паставски, Х.М. (2010). «Решающая роль декогеренции для электронного транспорта в молекулярных проводах: полианилин на примере». Физический обзор B . 82 (14): 144201. arXiv : 1004.5552 . Бибкод : 2010PhRvB..82n4201C . дои : 10.1103/PhysRevB.82.144201 . S2CID 119099069 .
^ Джеймс, ДК; Тур, Дж. М. (2005). «Молекулярные провода». Молекулярные провода и электроника . Темы современной химии. Том. 257. Берлин: Шпрингер. стр. 33–62. дои : 10.1007/b136066 . ISBN 978-3-540-25793-6 . ПМИД 22179334 .
^ Тур, Дж. М.; и др. (2001). «Синтез и предварительные испытания молекулярных проводов и устройств». хим. Евро. Дж . 7 (23): 5118–5134. doi : 10.1002/1521-3765(20011203)7:23<5118::aid-chem5118>3.0.co;2-1 . ПМИД 11775685 .
^ Ваганова Е; Элиаз, Д; Шиманович, У; Лейтус, Г; Акад, Э; Локшин, В; Ходорковский, В (2021). «Светоиндуцированные реакции в поли(4-винилпиридин)/пиридиновых гелях: образование 1,6-полиазаацетиленовых олигомеров» . Молекулы . 26 (22): 6925. doi : 10,3390/molecules26226925 . ПМК 8621047 . ПМИД 34834017 .
^ Михайлович, Д. (2009). «Неорганические молекулярные проволоки: физические и функциональные свойства халькогалогенидных полимеров переходных металлов». Прогресс в материаловедении . 54 (3): 309–350. дои : 10.1016/j.pmatsci.2008.09.001 .
^ Ф. Альберт Коттон , Карлос А. Мурильо и Ричард А. Уолтон (ред.), Множественные связи между атомами металлов , 3-е издание, Springer (2005).
^ Хуа, Шао-Ань; Лю, Исайя По-Чун; Гасанов, Гасан; Хуан, Джин-Чен; Исмайлов, Райят Гусейн; Чиу, Чиен-Лан; Да, Чен-Ю; Ли, Джин-Сян; Пэн, Ши-Мин (2010). «Исследование электронной связи линейных струнных комплексов гептаникеля и ноникеля с использованием двух окислительно-восстановительно-активных фрагментов [Ni2(napy)4]3+» (PDF) . Транзакции Далтона . 39 (16): 3890–6. дои : 10.1039/b923125k . ПМИД 20372713 .
^ Гарсия, Джей Си; Хусто, JF (2014). «Скрученные ультратонкие кремниевые нанопроволоки: возможное торсионное электромеханическое наноустройство». Еврофиз. Летт . 108 (3): 36006. arXiv : 1411.0375 . Бибкод : 2014EL....10836006G . дои : 10.1209/0295-5075/108/36006 . S2CID 118792981 .

Внешние ссылки

Паспорт безопасности сульфида молибдена

[1] Тараскон, Дж. М.; Халл, Джорджия; Дисалво, Ф.Дж. (1984). «Простой синтез псевдоодномерных тройных халькогенидов молибдена M2Mo6X6 (X = Se, Te; M = Li, Na..Cs)». Матер. Рез. Бык . 19 (7): 915–924. дои : 10.1016/0025-5408(84)90054-0 .

[2] Врбани, Дэниел; Рем Кар, Майя; Йеших, Адольф; Холодно, Але; Умек, Полона; Пониквар, Майя; Ян Ар, Бо Тьян; Дорогой, Антон; Новосел, Барбара; Автор песен, Стэн; 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] Перрин К. и Серджент М. (1983). «Новое семейство одномерных соединений с октаэдрическими кластерами молибдена: Mo6X8Y2». Дж. Хим. Рез . 5 : 38–39. ISSN 1747-5198 .

[4] Д. Михайлович (2009). «Неорганические молекулярные проволоки: физические и функциональные свойства халькогалогенидных полимеров переходных металлов». Прогресс в материаловедении . 54 (3): 309–350. дои : 10.1016/j.pmatsci.2008.09.001 .

[r1-5] Инь, Си; Уоррен, Стивен А.; Пан, Юнг-Тин; Цао, Кай-Чье; Грей, Даниэль Л.; Бертке, Джеффри; Ян, Хун (2014). «Мотив для бесконечных проволок из атомов металла». Angewandte Chemie, международное издание . 53 (51): 14087–14091. дои : 10.1002/anie.201408461 . ПМИД 25319757 .

[6] Коттон, Ф. Альберт; Мурильо, Карлос А. и Уолтон, Ричард А. (2005). Множественные связи между атомами металлов (3-е изд.). Спрингер. стр. 669–706 . ISBN 0-387-25829-9 .

[7] Каттена, CJ; Бустос-Марун, РА; Паставски, Х.М. (2010). «Решающая роль декогеренции для электронного транспорта в молекулярных проводах: полианилин на примере». Физический обзор B . 82 (14): 144201. arXiv : 1004.5552 . Бибкод : 2010PhRvB..82n4201C . дои : 10.1103/PhysRevB.82.144201 . S2CID 119099069 .

[8] Джеймс, ДК; Тур, Дж. М. (2005). «Молекулярные провода». Молекулярные провода и электроника . Темы современной химии. Том. 257. Берлин: Шпрингер. стр. 33–62. дои : 10.1007/b136066 . ISBN 978-3-540-25793-6 . ПМИД 22179334 .

[9] Тур, Дж. М.; и др. (2001). «Синтез и предварительные испытания молекулярных проводов и устройств». хим. Евро. Дж . 7 (23): 5118–5134. doi : 10.1002/1521-3765(20011203)7:23<5118::aid-chem5118>3.0.co;2-1 . ПМИД 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 1,6-полиазаацетиленовых олигомеров» . Молекулы . 26 (22): 6925. doi : 10,3390/molecules26226925 . ПМК 8621047 . ПМИД 34834017 .

[11] Михайлович, Д. (2009). «Неорганические молекулярные проволоки: физические и функциональные свойства халькогалогенидных полимеров переходных металлов». Прогресс в материаловедении . 54 (3): 309–350. дои : 10.1016/j.pmatsci.2008.09.001 .

[12] Ф. Альберт Коттон , Карлос А. Мурильо и Ричард А. Уолтон (ред.), Множественные связи между атомами металлов , 3-е издание, Springer (2005).

[13] Хуа, Шао-Ань; Лю, Исайя По-Чун; Гасанов, Гасан; Хуан, Джин-Чен; Исмайлов, Райят Гусейн; Чиу, Чиен-Лан; Да, Чен-Ю; Ли, Джин-Сян; Пэн, Ши-Мин (2010). «Исследование электронной связи линейных струнных комплексов гептаникеля и ноникеля с использованием двух окислительно-восстановительно-активных фрагментов [Ni2(napy)4]3+» (PDF) . Транзакции Далтона . 39 (16): 3890–6. дои : 10.1039/b923125k . ПМИД 20372713 .

[14] Гарсия, Джей Си; Хусто, JF (2014). «Скрученные ультратонкие кремниевые нанопроволоки: возможное торсионное электромеханическое наноустройство». Еврофиз. Летт . 108 (3): 36006. arXiv : 1411.0375 . Бибкод : 2014EL....10836006G . дои : 10.1209/0295-5075/108/36006 . S2CID 118792981 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]