ENGINEERINGNET -- Onderzoekers van het Nederlandse MESA+, het onderzoeksinstituut voor nanotechnologie van de Universiteit Twente - zijn er, in samenwerking met de Universiteit van Straatsburg en de Nederlandse TU Eindhoven, voor het eerst in geslaagd om perfect één-dimensionale moleculaire draden te creëren waarvan je de elektrische geleiding bij kamertemperatuur bijna volledig kunt onderdrukken met slechts een heel zwak magneetveld.
Het onderliggende mechanisme is mogelijk nauw verwant aan het biologisch kompas dat sommige trekvogels gebruiken om zich te oriënteren op het aardmagnetisch veld. Deze spectaculaire ontdekking kan tot radicaal nieuwe magneetveldsensors leiden, bijvoorbeeld voor smartphones.
De wetenschappers gebruikten voor hun experimenten het organische molecuul DXP (rode kleurstof). Om deze moleculen te rijgen tot één-dimensionale ketens van tussen de 30 en 100 nanometer lengte (1 nanometer is 1 miljardste meter), pasten ze een truc toe: ze sloten de moleculen op in zeolietkristallen.
Zeolieten zijn poreuze mineralen opgebouwd uit silicium-, aluminium- en zuurstofatomen, waarin zich smalle kanalen bevinden. De diameter van de kanalen in de gebruikte zeolieten was slechts 1 nanometer groot, slechts een beetje wijder dan de diameter van de moleculen.
Hierdoor was het mogelijk om binnenin een zeolietkanaal ketens te maken van uitgelijnde moleculen van slechts één molecuul dik.
De zeolietkristallen met daarin de moleculaire draden werden vervolgens op een elektrisch geleidend substraat geplaatst. Door een uiterst scherpe, geleidende naald van een atoomkrachtmicroscoop (AFM) op de bovenkant van een zeolietkristal te plaatsen, konden de onderzoekers elektrische geleiding door de molecuulketens meten.
Prof. dr. ir. Wilfred van der Wiel, die het experiment bedacht en leidde, stelt dat het meten van stroom door deze moleculaire stroomdraadjes al een uniek resultaat is. “Maar het gedrag van deze draadjes is ronduit spectaculair wanneer je een magneetveld aanlegt,” voegt hij eraan toe.
De elektrische geleiding stort namelijk bijna volledig in bij een magneetveld van slechts enkele millitesla’s, een veld dat je met gemak met een koelkastmagneet kunt opwekken. Van der Wiel: “Het feit dat het effect zo dramatisch is en al optreedt bij zulke kleine magneetvelden en gewoon bij kamertemperatuur maakt dit resultaat erg bijzonder.”
De verandering van de elektrische weerstand door middel van een magneetveld wordt magnetoweertand genoemd en is technologisch zeer belangrijk.
Het wordt bijvoorbeeld veel gebruikt in harddisk leeskoppen. Normaal gesproken zijn voor het verkrijgen van een magnetoweerstandseffect magnetische materialen onontbeerlijk. Aan het zeer grote magnetoweerstandseffect dat nu in Twente gemeten is, komt echter geen magnetisch materiaal te pas.
De onderzoekers schrijven het effect toe aan de interactie tussen de elektronen die de stroom dragen en het magneetveld dat wordt opgewekt door de omringende atoomkernen in de organische moleculen.
Uiteindelijk is de stroomonderdrukking bij een klein magneetveld terug te voeren tot het beroemde Pauliverbod, een kwantummechanisch principe dat stelt dat twee elektronen (fermionen) niet dezelfde kwantumtoestand mogen bezetten.
Omdat de stroomdraadjes in feite één-dimensionaal zijn, is het effect van het Pauliverbod dramatisch; net zoals een ongeluk op een éénbaansweg het hele verkeer kan lamleggen. Deze interpretatie wordt ondersteund door berekeningen.
Het mechanisme dat verantwoordelijk is voor de extreem hoge magnetoweerstand in de moleculaire draden is mogelijk nauw verwant aan het biologisch kompas dat sommige trekvogels gebruiken om zich te oriënteren op het aardmagnetisch veld.
Onderzoekers van de Universiteit In Twente werken al hard aan vervolgexperimenten die meer licht kunnen werpen op deze analogie.
Het onderzoek is mede mogelijk gemaakt door financiering van de Technologiestichting STW en de Europese Unie.
(GL) (bron en figuur: Universiteit Twente)
Uitleg bij de figuur bovenaan:
Met een atoomkrachtmicroscoop (Engels: atomic force microscope, AFM) wordt de elektrische geleiding gemeten van aromatische moleculen, DXP, die zijn opgelijnd in de kanalen van een zeolietkristal geplaatst op een geleidend substraat.
De kanalen zijn maximaal 1.26 nanometer breed en hebben een opening van slechts 0.71 nanometer; de DXP moleculen hebben ongeveer dezelfde breedte en hebben een lengte van 2.2 nanometer. De ingesloten moleculen zijn daarom allemaal gericht langs de lengte-as van het zeolietkanaal en vormen perfect één-dimensionale moleculaire draadjes.
De zoom-in laat een DXP molecuul zien opgesloten in een zeolietkanaal. De volledige chemische naam van DXP is N,N'-bis(2,6-dimethylphenyl)-perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic diimide.
