Universiteit Leiden

nl en

Luchtvochtigheid schakelt moleculaire diode aan en uit

Leids natuurkundige Sense Jan van der Molen heeft met zijn groep de eerste schakelbare moleculaire diode ontwikkeld. Deze is aan en uit te schakelen via luchtvochtigheid. Omgekeerd is dit een luchtvochtigheidssensor die werkt op de nanoschaal. Publicatie op 4 december in Nature Nanotechnology.

In 2016 ontving Ben Feringa—met Stoddard en Sauvage—de Nobelprijs voor de ontwikkeling van moleculaire motoren. Zijn werk vormt een spectaculair voorbeeld van een breder vakgebied waarin wetenschappers onderzoek doen aan moleculen met een chemisch ingeprogrammeerde functie. Behalve aan motoren werken ze ook aan moleculaire diodes, schakelaars en transistoren, alle met een typische lengte van een nanometer (miljoenste millimeter). Ze vertegenwoordigen de ultieme miniaturisatie: als je ze nog kleiner maakt, moet je het molecuul breken en hou je alleen de losse atomen over. Leids natuurkundigen Sense Jan van der Molen en Huseyin Atesci hebben nu samen met Delft, Bern en Chuo (Japan) de eerste schakelbare moleculaire diode ontwikkeld en gedemonstreerd.

Luchtvochtigheid

De wetenschappers ontdekten dat de elektrische geleidbaarheid van het molecuul ‘2-Ru-N’ afhangt van de luchtvochtigheid. Onder droge omstandigheden laat het molecuul evenveel stroom door bij positieve als bij negatieve spanning. Dit verandert dramatisch in een vochtige omgeving. Er loopt dan alleen stroom bij positieve spanning. Daarmee hebben de onderzoekers een moleculair circuit gemaakt dat werkt als een unieke combinatie van een schakelaar en een diode: een schakelbare moleculaire diode die je aan en uit kunt zetten via de luchtvochtigheid. Omgekeerd kunnen we dit molecuul zien als een luchtvochtigheidssensor die gebaseerd is op de structuur van een specifiek molecuul.

Asymmetrie

De piepkleine diode werkt op basis van een asymmetrie veroorzaakt door watermoleculen. Bij een luchtvochtigheid rond 60% klonteren ze samen op de rechterzijde van de moleculaire laag (zie figuur, f). Dit zorgt voor een disbalans tussen de energieniveaus op beide zijdes (h), wat de doorstroming van elektronen sterk beperkt. Een positieve spanning over het molecuul verhoogt het energieniveau van de rechterhelft (i), zodat de uitlijning van de niveaus herstelt en er weer stroom gaat lopen. Een negatieve spanning zorgt juist voor een grotere asymmetrie (j) en nóg minder stroom. In droge omstandigheden breekt de symmetrie van het molecuul niet en verdwijnt het diodegedrag.

Principe

‘Dit hele principe is gebaseerd op symmetrie, dus het werkt niet exclusief voor water,’ zegt Van der Molen. ‘In theorie geldt ons principe ook voor bijvoorbeeld alcohol of giftige gassen.’ De ontdekking heeft dus niet alleen betrekking op het meten van vocht in de lucht. Als wetenschappers in de toekomst een geschikt molecuul vinden dat net als ‘2-Ru-N’ bestaat uit twee symmetrische helften, maakt het principe ook andere sensoren mogelijk, zoals een moleculaire alcoholtest of koolstofmonoxidedetector.

Publicatie

Huseyin Atesci, Veerabhadrarao Kaliginedi, Jose A. Celis Gil, Hiroaki Ozawa, Joseph M. Thijssen, Peter Broekmann, Masa-aki Haga, Sense Jan van der Molen, ‘Humidity-controlled rectification of ruthenium-complex molecular junctions’, Nature Nanotechnology

Figuur

Boven: Lage luchtvochtigheid. Bij nul spanning (c) zijn de energieniveaus van de linker- en rechterhelft van het symmetrische molecuul (a) aan elkaar gelijk. Als er nu spanning wordt aangebracht, verschuiven de niveaus ten opzichte van elkaar. Voor de afstand tussen de niveaus maakt het daarbij niet uit of er een positieve (d) of negatieve (e) spanning geldt. Daarom zal er een even grote stroom lopen voor positieve en negatieve spanning.
Onder: Hoge luchtvochtigheid. Doordat het water aan één kant van het molecuul zit, breekt de symmetrie tussen de niveaus al bij nul spanning (h). Bij een positieve spanning (i) komen de energieniveaus weer dichter bij elkaar, waardoor er een significante stroom kan gaan lopen. Een negatieve spanning (j) vergroot het verschil tussen de twee niveaus juist, zodat de stroom wordt geblokkeerd.