При разработке новых полимерных полупроводников ученых ждал сюрприз

Новое исследование, проведенное химиками из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне, позволяет по-новому взглянуть на разработку полупроводниковых материалов, способных делать то, что не под силу их традиционным кремниевым аналогам, — использовать силу хиральности, т.е. не накладываемого друг на друга зеркального отображения.

Хиральность — одна из природных стратегий, используемых для создания сложных структур. Наиболее известным примером является двойная спираль ДНК — две молекулярные цепочки, соединенные молекулярным «хребтом» и закрученные вправо.

В природе хиральные молекулы, как и белки, очень эффективно проводят электричество, избирательно перемещая электроны с одинаковым направлением спина.

Исследователи уже несколько десятилетий работают над тем, чтобы имитировать природную хиральность в синтетических молекулах. В новом исследовании, проведенном под руководством профессора химической и биомолекулярной химии Йинга Диао, изучается, насколько хорошо различные модификации нехирального полимера DPP-T4 могут быть использованы для формирования хиральных спиральных структур в полупроводниковых материалах на основе полимеров. Потенциальные области применения таких материалов включают солнечные батареи, работающие как листья, компьютеры, использующие квантовые состояния электронов для более эффективных вычислений, и новые методы визуализации, позволяющие получать трехмерную, а не двухмерную информацию.

Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Central Science.

Вначале мы полагали, что небольшие изменения в структуре молекулы DPP-T4 — добавление или изменение атомов, соединенных с основой, — позволят изменить торсион, или изгиб структуры, и вызвать хиральность, — сказал Диао.

Однако мы быстро обнаружили, что все не так просто.

Используя метод рассеяния рентгеновских лучей и визуализации, команда обнаружила, что их «небольшие изменения» привели к серьезным изменениям в фазах материала.

Мы наблюдали своего рода эффект Златовласки, — сказал Диао.

Обычно молекулы собираются в виде скрученной проволоки, но вдруг, когда мы скручиваем молекулу до критического кручения, они начинают собираться в новые мезофазы в виде плоских пластин или листов. Проверив, насколько хорошо эти структуры могут изгибать поляризованный свет — тест на хиральность, — мы с удивлением обнаружили, что листы также могут скручиваться в когерентные хиральные структуры.

Полученные командой результаты свидетельствуют о том, что не все полимеры будут вести себя одинаково, если их настраивать, пытаясь имитировать эффективный транспорт электронов в хиральных структурах. В исследовании говорится о том, что очень важно не упускать из виду сложные мезофазные структуры, образующиеся при открытии неизвестных фаз, которые могут приводить к невообразимым ранее оптическим, электронным и механическим свойствам.

14.11.2023