Химики из Китая, США и Израиля создали рекордно устойчивый мономолекулярный электрический переключатель — он способен функционировать на протяжении года. Для того, чтобы включить или выключить его требуется лишь посветить на него светом определенной длины волны. Независимые эксперты отмечают, что стабильность, которой добились китайские ученые, на два порядка превосходит существующие мономолекулярные системы. Исследование опубликовано в журнале Science, кратко о нем сообщает блог Королевского химического общества.

В роли переключателя выступает молекула, относящаяся к классу диарилэтенов. Она обладает фотохромными свойствами и изменяет свою структуру под действием света: фотоны ультрафиолетового спектра заставляют «склеиваться» между собой фрагменты молекулы, а фотоны видимого диапазона наоборот, разрывают связь и молекула переходит в открытую форму. Последняя, в отличие от закрытой формы, не может проводить электрический ток. 

Химики поместили молекулу диарилэтилена между двумя графеновыми листами, прикрепив ее на «держателях» из трех метиленовых (CH₂) фрагментов. Их роль состоит в том, чтобы ограничить влияние электронной системы графена на переключатель. В ранних экспериментах, когда переключатель пытались закрепить между золотыми электродами или углеродными нанотрубками, он «залипал» в одном положении (не проводит или проводит, соответственно) и не переключался обратно.

Строение одномолекулярного электрического переключателя. Chuancheng Jia et al. / Science, 2016

Экспериментальная часть работы состояла в синтезе графена и его модификации литографическими методами. Так ученые получали подложку, на которой находились рядом два графеновых листа с точечными контактами между собой. Затем химики помещали на подложку раствор молекул-переключателей (диарилэтенов) и инициатора, скрепляющего их с краями графеновых листов. Всего ученые изготовили 46 таких молекулярных устройств.

Затем ученые облучали переключатель светом необходимого спектра и изучали электропроводность системы. Устройство показало устойчивость на протяжении 100 циклов включения и выключения. Кроме того, молекула при температурах около 180 кельвинов сама может обратимо переходить из открытой формы в закрытую — в таком режиме устойчивость системы сохранялась в течение 105–106 циклов. Работоспособность переключателей сохранялась в течение года. 

Как отмечает Иоан Балдеа из Университета Хайдельберга, в большинстве случаев, молекулярные переключатели сохраняли свою работоспособность лишь на минуты, часы — в удачных случаях дни. По словам ученого, эта работа точно окажет большое влияние на науку, однако эксперт не знает, на какую область точно. Важно отметить, что оптический переключатель устойчиво функционировал при комнатной температуре.

В будущем авторы разработки планируют создать каскады переключателей из различных молекул на основе этой технологии. Молекулярные переключатели могут найти применения в молекулярной электронике и оптоэлектронике, а также сверхчувствительных сенсорах.

Автор: Владимир Королёв