Para peneliti telah berhasil untuk pertama kalinya dalam mengikat molekul porfirin organik dengan pusat logam fungsional ke nanoribbon graphene dengan presisi atom. Sistem hibrida yang dihasilkan secara magnetis dan elektronik digabungkan, membuka jalan untuk berbagai aplikasi dalam elektronik molekuler, dari penginderaan kimia hingga teknologi kuantum.
Kimia organik, kimia senyawa karbon, adalah dasar dari semua kehidupan di bumi. Namun, logam juga memainkan peran kunci dalam banyak proses biokimia. Ketika datang untuk “menikahi” atom logam besar dan berat dengan senyawa organik ringan, alam sering bergantung pada kelompok struktur kimia tertentu: porfirin. Molekul -molekul ini membentuk cincin organik; Di tengahnya, ion logam individu seperti besi, kobalt, atau magnesium dapat “berlabuh”.
Kerangka kerja porfirin membentuk dasar untuk hemoglobin dalam darah manusia, fotosintesis klorofil pada tanaman, dan banyak enzim. Bergantung pada logam mana yang ditangkap oleh porfirin, senyawa yang dihasilkan dapat menampilkan berbagai sifat kimia dan fisik. Ahli kimia dan material telah lama berusaha untuk mengeksploitasi fleksibilitas dan fungsi porfirin ini, termasuk untuk aplikasi dalam elektronik molekuler.
Namun, untuk komponen elektronik – bahkan yang molekuler – untuk berfungsi, mereka harus terhubung satu sama lain. Kabel molekul individu bukanlah tugas yang mudah. Tapi inilah yang telah dicapai oleh para peneliti di Laboratorium Nanotech@EMPA, bekerja sama dengan ahli kimia sintetis dari Max Planck Institute for Polymer Research. Mereka telah berhasil melampirkan porfirin ke nanoribbon graphene dengan cara yang sangat tepat dan terdefinisi dengan baik. Studi yang sesuai baru saja diterbitkan dalam jurnal Nature Chemistry.
Nanoribbon graphene panjang dan sempit dari graphene material karbon dua dimensi. Bergantung pada lebarnya dan bentuk tepi mereka, mereka menunjukkan berbagai sifat fisik, termasuk berbagai konduktivitas, magnet, dan perilaku kuantum. Para peneliti menggunakan pita hanya satu nanometer lebar dengan apa yang disebut tepi zigzag sebagai kawat molekuler. Sepanjang tepi ini, molekul porfirin merapat dengan interval yang sangat teratur, bergantian di antara sisi kiri dan kanan pita.
“Pita graphene kami menunjukkan jenis magnet khusus berkat tepi zigzag -nya,” jelas Feifei Xiang, penulis utama penelitian ini. Atom logam dalam molekul porfirin, di sisi lain, bersifat magnet dengan cara yang lebih “konvensional”. Perbedaannya terletak pada elektron yang memberikan putaran yang bertanggung jawab atas magnet. Sementara elektron pembawa spin di pusat logam tetap terlokalisasi pada atom logam, elektron yang sesuai dalam pita graphene “menyebar” di sepanjang kedua tepi. “Berkat kopling porfirin ke tulang punggung graphene, kami telah berhasil menggabungkan dan menghubungkan kedua jenis magnet dalam satu sistem,” jelas rekan penulis Oliver Gröning, wakil kepala laboratorium Nanotech@Surfaces.
Kopling ini membuka banyak pintu di bidang elektronik molekuler. Pita graphene berfungsi sebagai konduktor listrik dan magnetik – sejenis “kabel” nano di antara molekul porfirin. Magnet yang berkorelasi dari nanoribbon graphene tersebut dianggap sangat menjanjikan untuk aplikasi teknologi kuantum, di mana magnet yang mendasarinya bertindak sebagai pembawa informasi. “Pita graphene kami dengan porfirin dapat berfungsi sebagai serangkaian qubit yang saling berhubungan,” kata Roman Fasel, kepala laboratorium “Nanotech@Surfaces”.
Tapi bukan itu saja: porfirin juga merupakan pigmen alami, seperti yang terlihat pada molekul seperti klorofil dan hemoglobin. Bagi para ilmuwan material, ini berarti bahwa “pusat porfirin aktif secara optik,” kata Gröning. Dan optik adalah cara penting untuk berinteraksi dengan sifat elektronik dan magnetik dari rantai molekuler tersebut. Porfirin dapat memancarkan cahaya yang panjang gelombangnya berubah dengan keadaan magnet dari seluruh sistem molekuler – sejenis string lampu molekuler, di mana informasi dapat dibacakan dengan pergeseran warna yang halus.
Proses sebaliknya juga dimungkinkan: porfirin bisa bersemangat dengan cahaya, sehingga mempengaruhi konduktivitas dan magnet tulang punggung graphene. All-rounder molekuler ini bahkan dapat berfungsi sebagai sensor kimia. Molekul porfirin dapat dengan mudah difungsikan – yaitu, dimodifikasi secara kimia dengan melampirkan gugus kimia tertentu. Jika salah satu kelompok tambahan ini berikatan dengan zat kimia target, interaksi ini juga mempengaruhi konduktivitas pita graphene.
“Sistem kami adalah kotak alat yang dapat digunakan untuk menyetel properti yang berbeda,” kata Fasel. Selanjutnya, para peneliti berencana untuk mengeksplorasi berbagai pusat logam di dalam porfirin dan menyelidiki efeknya. Mereka juga bertujuan untuk memperluas tulang punggung pita graphene, memberikan sistem molekuler mereka dasar elektronik yang bahkan lebih fleksibel. Sintesis “lampu string” ini sama sekali tidak sepele. “Mitra kami di Max Planck Institute mampu menghasilkan molekul prekursor yang terdiri dari inti porfirin yang dilengkapi dengan beberapa cincin karbon yang ditempatkan pada posisi yang tepat,” kata Gröning. Molekul-molekul kompleks ini kemudian “dipanggang” pada beberapa ratus derajat Celcius di bawah vakum sangat tinggi untuk membentuk rantai panjang. Permukaan emas berfungsi sebagai “loyang”. Ini adalah satu-satunya cara untuk mencapai struktur nanometer-halus ini dengan presisi atom. Dengan dukungan dari Werner Siemens Foundation, tim EMPA sekarang bekerja untuk membuat bahan perancang baru ini dapat digunakan untuk teknologi kuantum di masa depan.
