Przy skali liczonej w pojedynczych atomach przestaje chodzić wyłącznie o upychanie kolejnych tranzystorów. Coraz ważniejsze staje się to, jak zachowa się materiał, kiedy ścieżka przepływu elektronów staje się niemal mikroskopijnym korytarzem bez żadnego marginesu na błędy. Właśnie dlatego tak wielkie znaczenie mają dziś prace, które próbują zapanować nad właściwościami materiału jeszcze zanim powstanie gotowy układ. Jest to ważne zwłaszcza dlatego, że wiele futurystycznych wizji od lat rozbija się o ten sam mur. Inteligentna odzież, elastyczne czujniki, wszczepialna bioelektronika czy infrastruktura dla komputerów kwantowych brzmią atrakcyjnie, ale na końcu zawsze wraca pytanie o to, z czego właściwie zbudować elementy, które będą jednocześnie małe, przewidywalne i możliwe do precyzyjnego strojenia.
Stworzyli molekularne łańcuchy o atomowej precyzji
Tym razem inżynierowie opracowali ultrawąskie nanowstążki donorowo-akceptorowe, czyli molekularne łańcuchy o atomowej precyzji, w których można sterować właściwościami elektronicznymi poprzez dobór kolejności i długości poszczególnych segmentów. Część elementów w takiej strukturze pełni rolę donorów, czyli fragmentów chętniej oddających elektrony, a część akceptorów, czyli tych, które łatwiej je przyjmują. Połączenie obu typów jednostek w odpowiedniej sekwencji pozwala regulować poziomy energetyczne materiału i zawężać przerwę energetyczną. Daje to sposób na ustawianie tego, jak materiał ma przewodzić i reagować, zanim w ogóle trafi do konkretnego zastosowania.
Czytaj też: Klimatyzacja może dostać nowego rywala. Wystarczy rozciągać odpowiedni metal, aby chłodzić
Kluczowe w tym osiągnięciu nie jest samo zmniejszenie struktury, ale to, że jej zachowanie można zacząć projektować z wyprzedzeniem. Nie jest to zresztą zupełnie nowa logika w chemii materiałów. Architektury donor-akceptor od dawna są ważne w polimerach stosowanych w elektronice organicznej i fotowoltaice, ale w świecie atomowo precyzyjnych nanowstążek pozostawały dotąd tylko ciekawostką. Dlatego ta praca jest tak interesująca, bo chodzi tutaj o przeniesienie sprawdzonej chemicznej strategii do świata struktur budowanych praktycznie atom po atomie.
Dlaczego nanowstążki są tak interesujące?
Nanowstążki kojarzą się przede wszystkim z grafenem, a ten od dawna uchodzi za materiał niemal legendarny. Problem w tym, że sam grafen nie chce naturalnie zachowywać się jak łatwy do opanowania półprzewodnik. Trzeba go odpowiednio ukształtować albo modyfikować chemicznie, a i wtedy pełna kontrola nad jego charakterem elektrycznym jest trudna. Nowa praca nie porzuca tym samym całej idei nanowstążek, ale dokłada do niej precyzyjny zestaw “cegiełek”, które można układać w bardziej świadomy sposób.
Badacze zaprojektowali dwie cząsteczki (jedną donorową i jedną akceptorową), a następnie umieścili je na złotej powierzchni w próżni i podgrzali tak, by same połączyły się w łańcuchy. W ten sposób powstały zarówno struktury złożone wyłącznie z donorów, wyłącznie z akceptorów, jak i mieszane nanowstążki donorowo-akceptorowe. Następnie za pomocą zaawansowanych technik mikroskopowych i spektroskopowych zespół sprawdził, jak zachowują się elektrony i jak zmieniają się właściwości wraz z długością oraz sekwencją tych jednostek.
Czytaj też: Niemcy chcą dokonać przewrotu w lotnictwie. Podstawa samolotów trafi do muzeum?
Podczas tej weryfikacji okazało się, że dłuższe wstążki donorowe stawały się silniejszymi donorami, a dłuższe akceptorowe silniejszymi akceptorami, podczas gdy w strukturach mieszanych ostateczny charakter elektronowy zależał już od dokładnej kolejności segmentów. Nie chodzi więc o jedną nową substancję, ale o metodę budowania całej rodziny materiałów o różnych, wcześniej zaplanowanych właściwościach.
Od inteligentnych ubrań do elektroniki kwantowej
Zastosowania tego typu odkrycia są szerokie. W grze pojawiają się elastyczna elektronika organiczna, którą można byłoby drukować lub wręcz “malować” na powierzchniach, ultramałe układy dla urządzeń IoT, bioelektronika do implantów, nowatorskie czujniki, wydajniejsze ogniwa słoneczne, a także elektronika molekularna i kwantowa. Bierze się to z tego, że precyzyjne strojenie poziomów energetycznych jest przydatne w wielu różnych klasach urządzeń, ale oczywiście to nie jest już gotowy przepis na elektronikę przyszłości sprzedawaną w rolkach. Ta praca naukowców stawia dopiero fundament i jednocześnie pozostaje głęboko osadzona w warunkach laboratoryjnych. Struktury powstawały bowiem na idealnej (złotej) powierzchni, w kontrolowanym środowisku, a ich analiza wymagała narzędzi pokroju skaningowej mikroskopii tunelowej i mikroskopii sił atomowych.
Czytaj też: Miniaturyzacja znów trafiła na ścianę. Mikroskopijna szczelina zepsuła plany na procesory nowej ery
Walczyć jest jednak o co, bo ten kierunek rozwoju technologii dobrze wpisuje się w szerszy krajobraz tegorocznych doniesień. Pojawiają się już przecież pomysły na komputer wszyty w nitkę, układy scalone, które można zginać niemal jak włókno, czy materiały mające pełnić rolę pomostu między elektroniką i fotoniką w systemach kwantowych. Wspólny mianownik tego typu osiągnięć jest prosty – coraz częściej szukamy już nie tylko szybszego klasycznego układu, ale też materiałów, które da się wbudować w nowe środowiska pracy – tkaninę, implant, światłowód albo strukturę hybrydową łączącą różne sposoby przesyłania informacji.
Źródła: University of Birmingham, Nature
