Enkelt molekyle laver en følsom tryk- og kraftsensor – Physics World

Enkelt molekyle laver en følsom tryk- og kraftsensor – Physics World

Tidsstempel: 15. november 2023 kl. 11

Tegning af bullavene-molekylet og de omlejringer, det gennemgår
Flopping rundt: En tegning af bullavene-molekylet og de omlejringer, det gennemgår, når det ændrer sig til dets forskellige mulige former eller isomerer. (Med høflighed: Wikipedia/public domain image)

Forskere i Australien har opdaget og kontrolleret ændringer i formen af ​​et enkelt molekyle som reaktion på en påført mekanisk kraft. Bedriften kunne muliggøre udviklingen af ​​miniaturiserede implanterbare tryksensorer og accelerometre til elektronikindustrien.

Det pågældende molekyle, bullavene, er et kulbrinte med den kemiske formel C10H10. Det er vigtigt, at det er piezoresistivt, hvilket betyder, at dets elektriske modstand ændres som reaktion på mekanisk belastning. I bullavenes tilfælde opstår denne stamme, når molekylet skifter mellem dets forskellige mulige former eller isomerer, hvilket ændrer forbindelsen mellem dets atomer og producerer en målbar variation i dets elektriske modstand.

Forskerne valgte at udforske piezoresistiv adfærd i bullavene, fordi den gennemgår usædvanligt store formændringer på grund af processer kendt som konstitutionel og konformationel isomerisme. "Den førstnævnte involverer omarrangering af bindingstopologier, mens sidstnævnte involverer molekyler, der simpelthen 'flopper rundt'," forklarer Jeffrey Reimers, en kemiker ved University of Technology Sydney som ledede undersøgelsen sammen med Nadim Darwish of Curtin University, Daniel Kosov of James Cook University , Thomas Fallon af University of Newcastle.

Studiemedleder Nadim Darwish
Nadim Darwish. Høflighed: Curtin University

For at måle bullavens skiftende modstand brugte holdet kemiske vedhæftninger kaldet diaryler til at binde molekylet til guldkontakter 7 til 15 ångstrøm fra hinanden. Når disse guldkontakter bevæger sig, forbliver molekylet bundet til dem, men den mekaniske belastning, det oplever, får det til at danne en ny isomer med en anden form. Denne formændring ændrer strømmen af ​​elektricitet gennem molekylet, og forskerne var i stand til at måle disse ændringer ved hjælp af scanning tunneling mikroskopi.

Miniature sensorer og millisekunders tidsskalaer

Piezoresistorer er allerede udbredt i en række applikationer, herunder vibrationsdetektorer i elektroniske enheder, skridttællere i smartphones, triggere til bilairbags og implanterbare medicinske sensorer. Fordi bullavene-molekyler er så små, kan de bruges til at skabe miniaturiserede versioner af disse konventionelle enheder. En bullaven-baseret sensor kan også detektere tilstedeværelsen af ​​andre kemikalier eller biomolekyler såsom proteiner eller enzymer - noget, der kan være vigtigt for at opdage sygdomme, siger Darwish.

Forskerne, der detaljerer deres arbejde i Nature Communications, siger, at de kan forestille sig at skabe enheder så små som 3 til 100 nm2 der registrerer ydre kræfter og tryk blot ved at måle ændringer i modstand. En anden nyttig funktion, tilføjer Kosov, er, at piezomodstandene kan fås til at oscillere ved 800 Hz, hvilket betyder, at de kan bruges til at overvåge processer, der forekommer på millisekunders tidsskalaer.

De næste faser i teamets arbejde vil involvere at overføre teknologien fra et dyrt mikroskopi-eksperiment til en billig sensingsplatform. "Dette vil kræve, at vi udvikler nano-elektrodesensorer, hvis aktive elementer er vores formskiftende molekyler," fortæller Darwish Fysik verden.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden