Veelbelovende bouwstenen voor elektronica niet groter dan één molecuul

Ze zijn veelbelovend en al in de maak: apparaatjes niet groter dan één enkele molecuul. Ze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt als transistor op een computerchip, of als sensor. Maar wil je één zo’n molecuul daarvoor gebruiken, dan moet je deze wel eerst in een elektrische schakeling zien te integreren. Dat kan door iets aan het molecuul toe te voegen. Koperdraad bijvoorbeeld, of goud.

Die combinatie van moleculen met metaal als electrode is dus interessant. Maar welke combinatie het meest geschikt is, dat vraagt nog om meer onderzoek. Bij HFML-FELIX is uitgebreid gekeken naar één zo’n interessante combinatie. Het molecuul C60 – makkelijk te maken, een goede geleider en heel stabiel – met daarop een goud atoom. Door zowel C60 als het metaal te verdampen, lukte het om in het lab de twee onderdelen aan elkaar te krijgen.

Een spion-atoom

Maar daar voegden de onderzoekers nog wat aan toe: een argonatoom. Zo’n atoom is chemisch heel inactief, het heeft geen invloed op reacties, of de constructie van C60 plus goud. En juist om die reden is het nuttig. Dat atoom kan namelijk fungeren als spion in het onderzoek.

Nu is het molecuul – met de twee toevoegingen – in dit geval bestudeerd met een hele sterke infrarood laser. Met als doel: het bepalen van de vingerafdruk van deze combinatie. Is zo’n laser intens genoeg, dan kun je C60 met het metaal kapotschieten. Subtiel is dit niet, en juist subtiliteit is nodig als je een gedetailleerde vingerafdruk wilt krijgen van het goud-C60.

Door de laserintensiteit zo te kiezen dat het goud-C60 intact blijft, maar het argonatoom er aangaat, en dat te combineren met massaspectrometrie – een techniek waarmee je de massa van deeltjes kunt bepalen – vertelt het verlies van het spion-atoom je of er licht is geabsorbeerd. Door de golflengte van het infraroodlicht van de laser te variëren, en af te tasten wanneer de spion er wel of niet op blijft zitten, bepaal je uiteindelijk de infrarood vingerafdruk van C60 mét goud.

Hoe zit het in elkaar

Waarom is die vingerafdruk belangrijk om te kennen? Voordat je aan de slag gaat met een nieuw apparaatje van één molecuul, zeker als het de bedoeling is om het op computerchips of in chemische processen te gebruiken, moet je eerst heel goed weten: hoe maak je het, hoe zit het dan precies in elkaar en is dat altijd hetzelfde?

Het metaaldeeltje kan zich op verschillende plekken hechten aan C60. Dit molecuul kun je het beste voor je zien als een voetbal gemaakt van zeshoeken en vijfhoeken. Goud kan zich maar op een paar plekken op deze voetbal hechten. Onder andere in het midden van zo’n zeshoek of vijfhoek, maar bijvoorbeeld ook op één van de koolstofatomen van het C60 molecuul. Waar het terechtkomt heeft onder andere invloed op de geleiding van het geheel als je het in een elektronische schakeling op wilt nemen en daarom is het zo belangrijk om dit te weten. Bepaal je de vingerafdruk, dan weet je ook precies hoe alles aan elkaar vastzit.

Ook in chemische processen

De uitkomst van de experimenten die bij HFML-FELIX werden uitgevoerd is dat het erop lijkt dat het goud altijd op dezelfde plek gaat zitten; op de scheiding tussen twee zeshoeken. Deze bevindingen zijn dus interessant voor het eventueel gebruiken van deze combinatie in toekomstige toepassingen, maar ook voor scheikundigen.

Dat laatste komt omdat goud heel interessant gedrag vertoont als het in kleine deeltjes voorkomt. In bulk is goud helemaal niet reactief, maar maak je er hele kleine deeltjes van, dan ineens wel. Zo zou goud zomaar een katalysator kunnen vormen van één atoom dat stabiel op een C60 oppervlak zit. En stabiel is één van de belangrijkste vereisten voor zo’n belangrijk onderdeel van chemische processen die op termijn onze wereld weer een stukje duurzamer en efficiënter kunnen maken.