Ученые обнаружили новые возможности разработки полимерных полупроводников
Исследование, дающее новое представление о разработке полимерных полупроводниковых материалов, которые могут делать то, чего не могут их традиционные кремниевые аналоги — использовать свойства хиральности, провели химики из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне, 14 ноября сообщает пресс-служба университета.
Природа использует хиральность, т. е. свойство молекулы не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением, чтобы создавать сложные структуры, например такие, как двойная спираль ДНК — две молекулярные цепочки, соединенные молекулярным «остовом» и закрученные вправо. При этом природные хиральные молекулы, такие как белки, очень эффективно проводят электричество, избирательно перенося электроны одного и того же направления спина.
Ученые уже не одно десятилетие работают над имитацией природной хиральности в синтетических молекулах. Одно их таких исследований, выполненное под руководством профессора кафедры химической и биомолекулярной химии университета Ин Дяо, было направлено на изучение того, насколько хорошо различные модификации нехирального полимера под названием DPP-T4 могут использоваться для формирования хиральных спиральных структур в полупроводниковых материалах на основе полимеров.
Такие материалы будут востребованы во многих приложениях, например, в солнечных элементах, работающих как листья растений; квантовых компьютерах, использующих состояния электронов для кодирования информации (что позволит значительно повысить эффективность вычислений); новых устройствах визуализации, которые считывают трехмерную информацию, а не 2D, а также во многих других.
Результаты исследования были представлены в статье «Незначительные молекулярные изменения в значительной степени модулируют хиральные спиральные сборки ахиральных сопряженных полимеров путем настройки агрегации в растворенном состоянии», опубликованной в журнале ACS Central Science.
«Мы начали с мысли, что небольшие изменения в структуре молекулы DPP-T4, достигнутые путем добавления или изменения атомов, связанных с основной цепью, изменит кручение или скручивание структуры и вызовет хиральность, — сообщил Дяо. — Однако мы быстро обнаружили, что всё не так просто».
Используя рассеяние рентгеновских лучей и визуализацию, команда установила, что их «незначительные изменения» вызвали серьезные изменения в фазах материала.
«То, что мы наблюдали, — это своего рода эффект Златовласки, — рассказал Дяо. — Обычно молекулы собираются подобно скрученной проволоке, но внезапно, когда мы скручиваем молекулы до критического положения, они начинают собираться в новые мезофазы в виде плоских пластин или листов. Проверяя, насколько хорошо эти структуры могут преломлять поляризованный свет (тест на хиральность), мы с удивлением обнаружили, что листы также могут скручиваться в когезионные (поверхностно связанные) хиральные структуры».
Результаты исследования, проведенного командой, показывают, что не все полимеры будут вести себя одинаково, если их изменять с целью имитации эффективного переноса электронов в хиральных структурах. Исследователи отмечают, что крайне важно не упускать из виду образующиеся сложные мезофазные структуры, чтобы обнаружить неизвестные ранее фазы, которые могут привести к оптическим, электронным и механическим свойствам, невообразимым ранее.
