Moleculaire ketens supergevoelig voor magneetvelden

Deze spectaculaire ontdekking kan tot radicaal nieuwe magneetveldsensoren leiden, bijvoorbeeld voor smartphones. Het toonaangevende wetenschappelijke tijdschrift Science publiceerde op 4 juli de onderzoeksresultaten.

De wetenschappers gebruikten voor hun experimenten het organische molecuul DXP, een rode kleurstof van dezelfde soort die Ferrari ooit gebruikte voor de befaamde Testarossa. Om deze moleculen te rijgen tot ééndimensionale ketens van tussen de 30 en 100 nanometer lengte, pasten ze een truc toe: ze sloten de moleculen op in zeolietkristallen. Zeolieten zijn poreuze mineralen opgebouwd uit silicium-, aluminium- en zuurstofatomen, waarin zich smalle kanalen bevinden, net zoals liftschachten in een flatgebouw. De diameter van de kanalen in de gebruikte zeolieten was maar 1 nanometer groot, slechts een beetje wijder dan de diameter van de moleculen. Hierdoor was het mogelijk om binnenin een zeolietkanaal ketens te maken van uitgelijnde moleculen van slechts één molecuul dik.

Moleculaire stroomdraadjes: spectaculair gedrag

De zeolietkristallen met daarin de moleculaire draden werden vervolgens op een elektrisch geleidend substraat geplaatst. Door een uiterst scherpe, geleidende naald van een atoomkrachtmicroscoop (AFM) op de bovenkant van een zeolietkristal te plaatsen, konden de onderzoekers elektrische geleiding door de molecuulketens meten. Prof.dr.ir. Wilfred van der Wiel, die het experiment bedacht en leidde, stelt dat het meten van stroom door deze moleculaire stroomdraadjes al een uniek resultaat is. "Maar het gedrag van deze draadjes is ronduit spectaculair als je een magneetveld aanlegt," voegt hij eraan toe. De elektrische geleiding stort namelijk bijna volledig in bij een magneetveld van slechts enkele millitesla’s, een veld dat je met gemak met een koelkastmagneet kunt opwekken. Van der Wiel: "Het feit dat het effect zo dramatisch is en al optreedt bij zulke kleine magneetvelden en gewoon bij kamertemperatuur maakt dit resultaat erg bijzonder."

Ongekuk op éénbaansweg

De verandering van de elektrische weerstand door middel van een magneetveld wordt magnetoweertand genoemd en is technologisch zeer belangrijk. Het wordt bijvoorbeeld veel gebruikt in harddisk leeskoppen. Normaal gesproken zijn voor het verkrijgen van een magnetoweerstandseffect magnetische materialen onontbeerlijk. Aan het zeer grote magnetoweerstandseffect dat nu in Twente gemeten is, komt echter geen magnetisch materiaal te pas. De onderzoekers schrijven het effect toe aan de interactie tussen de elektronen die de stroom dragen en het magneetveld dat wordt opgewekt door de omringende atoomkernen in de organische moleculen. Uiteindelijk is de stroomonderdrukking bij een klein magneetveld terug te voeren tot het beroemde Pauliverbod, een kwantummechanisch principe dat stelt dat twee elektronen (fermionen) niet dezelfde kwantumtoestand mogen bezetten. Omdat de stroomdraadjes in feite één-dimensionaal zijn, is het effect van het Pauliverbod dramatisch; net zoals een ongeluk op een éénbaansweg het hele verkeer kan lamleggen. Deze interpretatie wordt ondersteund door berekeningen.

Trekvogels

Het mechanisme dat verantwoordelijk is voor de extreem hoge magnetoweerstand in de moleculaire draden is mogelijk nauw verwant aan het biologisch kompas dat sommige trekvogels gebruiken om zich te oriënteren op het aardmagnetisch veld. Onderzoekers van de Universiteit In Twente werken al hard aan vervolgexperimenten die meer licht kunnen werpen op deze analogie.

Onderzoek

Het onderzoek is uitgevoerd door wetenschappers van de vakgroep NanoElectronics van UT-onderzoeksinstituut Mesa+, in samenwerking met onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven en de Universiteit van Straatsburg. Het wetenschappelijke vakblad Science publiceerde het artikel ‘Ultra-High Magnetoresistance at Room Temperature in Molecular Wires’ waarin de onderzoeksresultaten worden beschreven. Het onderzoek is mede mogelijk gemaakt door financiering van de Technologiestichting STW en de Europese Unie.

Toelichting bij de illustraties

1. Meetopstelling:

Met een atoomkrachtmicroscoop (Engels: atomic force microscope, AFM) wordt de elektrische geleiding gemeten van aromatische moleculen, DXP, die zijn opgelijnd in de kanalen van een zeolietkristal geplaatst op een geleidend substraat. De kanalen zijn maximaal 1,26 nanometer breed en hebben een opening van slechts 0,71 nanometer; de DXP moleculen hebben ongeveer dezelfde breedte en hebben een lengte van 2,2 nanometer. De ingesloten moleculen zijn daarom allemaal gericht langs de lengte-as van het zeolietkanaal en vormen perfect één-dimensionale moleculaire draadjes. De zoom-in laat een DXP molecuul zien opgesloten in een zeolietkanaal. De volledige chemische naam van DXP is N,N’-bis(2,6-dimethylphenyl)-perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic diimide.

2. Zeoliet met DXP moleculen (bovenaanzicht)

Zeoliet L is een elektrisch isolerend aluminiumsilicaat kristal dat vele duizenden kanalen bevat met een maximale diameter van 1,26 nanometer. Deze kanalen lopen door het gehele kristal en zijn parallel geörienteerd aan de lengte-as van het kristal. De unieke geometrie van de zeoliet gastheer maakt de formatie van één-dimensionale ketens van georiënteerde moleculen mogelijk.  

3. Zeoliet met DXP moleculen (zijaanzicht)

De kanalen van het zeolietkristal zijn bijna volledig gevuld met DXP moleculen. Een DXP molecuul vult drie eenheidscellen van het zeolietkanaal op. Elektronen hoppen van molecuul naar molecuul, resulterend in een elektrische stroom.