Ein einzelnes Molekül ergibt einen empfindlichen Druck- und Kraftsensor – Physics World

Forscher in Australien haben Veränderungen der Form eines einzelnen Moleküls als Reaktion auf eine ausgeübte mechanische Kraft entdeckt und kontrolliert. Das Kunststück könnte die Entwicklung miniaturisierter implantierbarer Drucksensoren und Beschleunigungsmesser für die Elektronikindustrie ermöglichen.

Das fragliche Molekül Bullaven ist ein Kohlenwasserstoff mit der chemischen Formel C₁₀H₁₀. Wichtig ist, dass es piezoresistiv ist, was bedeutet, dass sich sein elektrischer Widerstand als Reaktion auf mechanische Belastung ändert. Im Fall von Bullaven entsteht diese Spannung, wenn das Molekül zwischen seinen verschiedenen möglichen Formen oder Isomeren wechselt, wodurch sich die Konnektivität zwischen seinen Atomen ändert und eine messbare Änderung seines elektrischen Widerstands entsteht.

Die Forscher entschieden sich für die Untersuchung des piezoresistiven Verhaltens von Bullaven, da es aufgrund von Prozessen, die als Konstitutions- und Konformationsisomerie bekannt sind, ungewöhnlich große Formänderungen erfährt. „Bei ersterem geht es um die Neuanordnung von Bindungstopologien, bei letzterem geht es darum, dass Moleküle einfach ‚herumflattern‘“, erklärt Jeffrey Reimers, Chemiker an der Technische Universität Sydney der die Studie gemeinsam mit geleitet hat Nadim Darwish of Curtin University, Daniel Kosov of James Cook University und Thomas Fallon dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. University of Newcastle.

Um den sich ändernden Widerstand von Bullaven zu messen, verwendete das Team chemische Bindungen, sogenannte Diaryle, um das Molekül an Goldkontakte im Abstand von 7 bis 15 Angström zu binden. Wenn sich diese Goldkontakte bewegen, bleibt das Molekül an ihnen gebunden, aber die mechanische Belastung, die es erfährt, führt dazu, dass es ein neues Isomer mit einer anderen Form bildet. Diese Formänderung verändert den Stromfluss durch das Molekül und die Forscher konnten diese Veränderungen mithilfe der Rastertunnelmikroskopie messen.

Miniatursensoren und Millisekunden-Zeitskalen

Piezowiderstände werden bereits in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, darunter Vibrationsdetektoren in elektronischen Geräten, Schrittzähler in Smartphones, Auslöser für Autoairbags und implantierbare medizinische Sensoren. Da Bullaven-Moleküle so klein sind, könnten sie zur Herstellung miniaturisierter Versionen dieser herkömmlichen Geräte verwendet werden. Ein Bullaven-basierter Sensor könnte auch das Vorhandensein anderer Chemikalien oder Biomoleküle wie Proteine ​​oder Enzyme erkennen – etwas, das für die Erkennung von Krankheiten wichtig sein könnte, sagt Darwish.

Tragbare Drucksensoren erweitern ihre Reichweite

Die Forscher, die ihre Arbeit im Detail beschreiben Nature Communications veröffentlicht Sie sagen, dass sie sich vorstellen können, Geräte mit einer Größe von nur 3 bis 100 nm zu entwickeln² die äußere Kräfte und Drücke einfach durch Messung von Widerstandsänderungen erkennen. Eine weitere nützliche Funktion, fügt Kosov hinzu, besteht darin, dass die Piezowiderstände mit 800 Hz zum Schwingen gebracht werden können, was bedeutet, dass sie zur Überwachung von Prozessen verwendet werden könnten, die im Millisekundenbereich ablaufen.

Die nächsten Schritte der Teamarbeit werden darin bestehen, die Technologie von einem teuren Mikroskopie-Experiment auf eine kostengünstige Sensorplattform zu übertragen. „Dafür müssen wir Nanoelektrodensensoren entwickeln, deren aktive Elemente unsere formverändernden Moleküle sind“, erklärt Darwish Physik-Welt.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/single-molecule-makes-a-sensitive-pressure-and-force-sensor/