17 feb. 1999
2 minuten
De vorm van de rand van ogenschijnlijk gelijkwaardige moleculen is verantwoordelijk voor spectaculaire verschillen in elektronische eigenschappen. Dat ontdekten wetenschappers van de Radboud Universiteit, de Universiteit van Amsterdam en Stichting FOM in zeshoekige koolstofringen (of PAK’s), met behulp van de vrije-elektronenlaser in het Nijmeegse Felix Laboratory. De nieuwe kennis maakt het mogelijk om beter doordachte materialen en elektronicacomponenten te ontwikkelen.
PAK’s (polycyclische aromatische koolwaterstoffen) bestaan uit aan elkaar verbonden zeshoekige koolstofringen en kunnen beschouwd worden als moleculaire stukjes grafeen. Ze zijn bruikbaar om op moleculaire schaal elektronicacomponenten en materialen voor nieuwe supergeleiders te maken. Daarvoor is het wel belangrijk om de elektronenverdeling in deze moleculen te begrijpen en te weten of die verdeling te beïnvloeden is.
De manier waarop de koolstofringen aan elkaar zitten – de topologie van het molecuul – leek daarbij een belangrijke rol te spelen, maar waarom was niet duidelijk. Met spectroscopische experimenten, uitgevoerd in het Felix-laboratorium van de Radboud Universiteit, heeft natuurkundige Héctor Alvaro Galué samen met wetenschappers van de Radboud Universiteit en de Universiteit van Amsterdam nu laten zien dat de topologie bepaalt hoe de elektronenverdeling in de PAK’s is gekoppeld aan trillingen van hun koolstofskelet.
De verschillende lasers van het Felix Laboratory.
Zigzag- en badkuipstructuren
Met de Felix vrije-elektronenlaser bepaalde Alvaro Galué het infraroodspectrum van twee PAK’s waarin vijf zesringen aan elkaar verbonden zijn. In het materiaal pentaceen zijn die ringen zo verbonden dat de randen een zigzagstructuur vertonen (figuur 1, rechts en figuur 2, boven). In het materiaal piceen heeft de rand een badkuipstruktuur (figuur 1, links en figuur 2, onder).
Volkomen onverwacht laat een vergelijking van de infraroodspectra van deze twee PAK’s grote intensiteitsverschillen zien voor trillingen van de bindingen tussen de koolstofatomen. Uit berekeningen blijkt dat dit niet alleen voor piceen en pentaceen geldt, maar dat het een intrinsieke eigenschap is van PAK’s met zulke zigzag- en badkuipranden.
Figuur 1: links een schematisch voorbeeld van een badkuiprand (in het Engels: armchair-edge), en rechts een schematisch voorbeeld van een zigzagrand.
Figuur 2: pentaceen met een zigzagrand (boven) en piceen met een badkuiprand (onder).
Dit inzicht in de verschillende elektronische eigenschappen van deze twee klassen verbindingen is van belang, omdat daarmee de kennis over moleculaire stukjes van het supergeleidende materiaal grafeen, waar veel wetenschappelijke en maatschappelijke interesse voor is, toeneemt.
Héctor Álvaro Galué, Jos Oomens, Wybren Jan Buma, Britta Redlich: ‘Electron-flux infrared response to varying π-bond topology in charged aromatic monomers’ Nature Communications (August 31, 2016); DOI: 10.1038/NCOMMS12633
Dit onderzoek werd gefinancierd door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) en de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
Anderen lazen ook
