Parahexafenyl – mimo, że brzmi jak zaklęcie rodem z serii o Harrym Potterze, jest tylko nazwą niewielkiej cząsteczki organicznej, która od przeszło dwudziestu lat stanowi obiekt intensywnych badań wielu grup naukowych na całym świecie. A wszystko to dzięki jej wielkiemu potencjałowi w dziedzinie tzw. elektroniki plastikowej.

Do czego właściwie ma się przysłużyć ta enigmatyczna molekuła? Po pierwsze, samym parahexafenylem wiele nie zdziałamy. Aby wydobyć jego cenne właściwości, potrzebne jest nam podłoże, na którym go umieścimy. Świetnie w tej roli sprawdza się dwutlenek tytanu (rutyl), który po naniesieniu molekuł parahexafenylu tworzy z nimi tak zwany cienkowarstwowy układ nanostruktur organicznych. I w tym właśnie tkwi sedno – stworzenie takiego układu w skali nano pozwala lepiej poznać procesy rządzące jego strukturą, a przez to uczy nas, jak kontrolować ich właściwości mechaniczne i optoelektroniczne. Ma to ogromne znaczenie w projektowaniu m.in. elastycznych wyświetlaczy smartfonów, szybkiej elektroniki czy wydajnych ogniw słonecznych, co stanowi o olbrzymim potencjale tak zwanej organicznej elektroniki, będącej obecnie głównym oponentem tej konwencjonalnej, bazującej na związkach krzemu. W jaki sposób działa taki układ? Czy otrzymanie go jest trudne? Co to może oznaczać dla przyszłości rozwoju technologicznego? Wszelkie niuanse w tej materii wyjaśnia Konrad Szajna, doktorant Instytutu Fizyki UJ (IF UJ), który obecnie kieruje projektem badawczym skupionym w tym obszarze.

Atrakcyjne podłoże, czyli jak skutecznie usidlić molekułę

By dobrze zrozumieć, w czym tkwi sedno badań prowadzonych nad organicznymi nanostrukturami trzeba wyjść od fundamentalnego prawa funkcjonowania świata – lenistwo jest podstawową cechą natury. To znaczy, że w swoim genialnym wygodnictwie natura zrobi absolutnie wszystko, aby po wykonaniu jakiejś pracy/działania jak najszybciej osiągnąć stan spoczynku czyli, ujmując to bardziej fizycznie, zminimalizować swoją energię wewnętrzną.

Co to ma wspólnego z parahexafenylem? Naniesiony na podłoże rutylowe ustawi się dokładnie w taki sposób, który pozwoli mu jak najszybciej osiągnąć spokój. Szkopuł w tym, że nie do końca nam to ułożenie może pasować… Jak więc „zachęcić” molekułę do pozostania w pożądanej konfiguracji na pożądanym podłożu? Ot, sprawić, że stanie się ono dla niej atrakcyjne. Parahexafenyl charakteryzuje się łańcuchową budową, jest więc cząsteczką długą i wąską. Nałożony na gładkie powierzchnie może się więc nieco buntować i ślizgać się po nich jak po tafli lodu. Gdyby jednak stworzyć mu na tej powierzchni sąsiadujące ze sobą proste rynny (coś w rodzaju falistej blachy) o rozmiarach dopasowanych do parahexafenylu, to po znalezieniu się w takiej rynnie, zdecydowanie wzrósłby jego komfort i preferowałby ograniczony ruch wzdłużny, ponieważ poprzeczne przeskakiwanie do pobliskiej rynny wiązałoby się zwyczajnie ze zbyt dużymi nakładami energetycznymi. Taką właśnie ideą kierują się badacze z IF UJ pracujący nad tym projektem – przed naniesieniem molekuł „atakują” powierzchnię wiązkami jonów wybijających z niej atomy, które – poszukując nowego położenia – organizują się w swoiste wydmy. W wyniku tego zabiegu powierzchnia zmienia swój charakter – na gładkiej tafli tworzą się „nanozmarszczki”, które oglądane w wielkim przybliżeniu wyglądają jak podłużne wzgórza i doliny.

Elektronika plastikowa, czyli smartphone owinięty wokół nadgarstka

Ale co właściwie mają robić te molekuły na powierzchni rutylu? Przede wszystkim trzeba odnieść się do pojęcia elektroniki organicznej lub plastikowej, której głównym założeniem jest możliwość przewodzenia prądu przez... plastik. Materiały organiczne, składające się z krótkich (oligomery) bądź długich (polimery) cząsteczek, z natury nie są w stanie przewodzić prądu, ponieważ nie posiadają swobodnie poruszających się cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym. Tak przynajmniej zawsze uważano. Jednakże, jak powszechnie wiadomo, postępem nauki bardzo często rządzi przypadek. Stało się tak również i w tej kwestii. Przed około pięcioma dekadami pewien naukowiec prowadzący badania nad otrzymywaniem poliacetylenu popełnił błąd myląc naczynia z odczynnikami, w wyniku którego otrzymał dziwnie wyglądający polimer, który jednak cechował się ponad sto miliardów razy większą przewodnością niż izolator elektryczny. Odkrycie to było zaczątkiem obszernych badań nad przewodnictwem materiałów organicznych, które – ze względu na swoje kuszące cechy, jak na przykład elastyczność oraz niski koszt produkcji – szybko okazały się godnym konkurentem dla konwencjonalnych metali i półprzewodników. Plastikowa elektronika zaczęła więc stwarzać ogromne możliwości w zakresie konstruowania urządzeń tak cienkich i giętkich, że wkrótce być może będzie je można, dosłownie, owinąć wokół własnego palca. I tu możemy na powrót skupić się na naszej molekule. W każdym z wielu pierścieni parahexafenylu znajdują się swobodne elektrony, które mogą się przemieszczać między molekułami. W związku z tym, że cząsteczki te łączą się ze swoim podłożem nie za pomocą silnych wiązań chemicznych (chemisorpcja), a słabych oddziaływań fizycznych (fizysorpcja), znajdując się już w swojej „rynnie” mogą się wzdłuż niej przemieszczać i przy okazji napotykać na swojej drodze kolejne molekuły, którym mogą przekazać ładunek elektryczny. Wygodne i praktyczne? Tak, ale tylko w warunkach ultra-wysokiej próżni.

Nanoprocesor – czyli mniej znaczy więcej

Wystarczy, że taki ultraprecyzyjny układ wystawimy na powietrze i molekuły bardzo szybko zauważą, że zdecydowanie niekorzystnie leży im się w rynnach. Co więc zrobią? Staną. Czy to źle? Nie do końca, ponieważ warstwa molekuł stojących ma potencjał do stworzenia tranzystora. Co więcej, pozostaje ona wciąż uporządkowana dzięki istnieniu jednego, najbardziej komfortowego ułożenia molekuł względem siebie. Jeżeli dodatkowo uda nam się wymusić przesunięcie do siebie całych grup molekuł w kształcie płaskich „wysepek”, a w przyszłości ujednolicić warunki wzrostu i zbliżyć całą gromadkę molekuł do elektrody, to możemy stworzyć układ logiczny, czyli podstawową jednostkę układu scalonego.

Postępująca miniaturyzacja elektroniczna jest od lat wyznaczana przez trend narzucony przez słynne Prawo Moore'a (hipoteza, że moc obliczeniowa komputerów podwaja się co 2 lata). Tworzenie procesorów o wielkości kilkudziesięciu nanometrów, czy wręcz o wielkości pojedynczej molekuły staje się dziś faktem. Oczywistym jest, że nie jesteśmy w stanie przeskoczyć granicy wielkości atomu, jednak póki co rozwój nauki w tej dziedzinie wciąż bez problemu dogania przesuwającą się moore'owską linię mety. Poznanie zachowania takich układów, układów budowanych również przez molekuły parahexafenylu oraz pogłębienie wiedzy z zakresu możliwości wpływania na ich zachowanie jest dziś podstawowym celem badawczym zespołu naukowców IF UJ, którzy – przy wsparciu Narodowej Agencji Wymiany Akademickiej (NAWA) – mogą poznawać własności tej niezwykłej molekuły współpracując z doświadczonym zespołem austriackim.

 

 

 

Grafika: M. Kratzer, D. Wrana, K. Szejna, F. Krok, Ch. Teichert, Island shape anisotropy in organic thin film growth induced by ion-beam irradiated rippled surfaces, Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, 16, 26112-26118.

 

-----------------------------------------------

Ciekawe? Przeczytaj także:

• Kosmiczne cząsteczki-duchy
• Fizycy z UJ na tropie nieodkrytych cząsteczek
• Jak działa telefon komórkowy?