Ученые рассмотрели фазовые переходы в органических полупроводниках и обнаружили, что при определенных условиях молекулы начинают действовать сообща. Раньше химики выявляли такие процессы только в живых организмах. Результаты исследования помогут развить органическую электронику. Статья опубликована в Nature Communications.
Чтобы преодолеть различные энергетические барьеры, живые организмы часто прибегают к «кооперативности». Это явление характерно в основном для ферментов или рецепторов, которые имеют в своей макроструктуре множество участков, специфично связывающихся с другими (строго определенными) молекулами-лигандами. Обычно в качестве таких участков выступают белки. Примером кооперативного процесса в теле человека служит связывание кислорода гемоглобином — в одной молекуле гемоглобина есть четыре специальных участка для связывания кислорода. Следовательно, одна молекула гемоглобина избирательно кооперирует с четырьмя молекулами кислорода. Для неживых же систем явление кооперативности совершенно не характерно. Тем не менее для ученых оно очень интересно — благодаря кооперативности система могла бы самостоятельно совершать высокоэффективные молекулярные переходы из одного состояния в другое.
Кооперативность привлекла внимание благодаря низким энергетическим барьерам (пороговым значениям энергии, перешагивая которые, может запуститься тот или иной процесс), сверхбыстрой скорости процесса и обратимости. Американские и корейские ученые обнаружили способ вызвать кооперативное поведение в органических полупроводниках. Органические полупроводники обычно существуют в форме кристалла, и добиться от их молекул одновременных действий было трудно. В кристаллических структурах чаще происходят нуклеация и рост по принципу перемещения одной молекулы за один раз. Подобные переходы требуют куда более значительных энергетических затрат — именно так вырастают алмазы из углерода. Для образования алмаза по принципу «пошаговых» переходов необходима высокая температура, сильное давление и тысячи лет под землей.
«Представьте, что вы собрались разобрать сложную цепочку домино вручную, вытягивая одну кость за одной. Это долго и утомительно, поэтому, когда вы закончите, у вас, скорее всего, не останется сил на продолжение игры», — такой пример приводит ведущий автор исследования Дэниел Дэвис из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне. А кооперативные переходы скорее напоминают синхронное падение цепочки домино на пол. Это быстро, энергоэффективно и легко обратимо. Авторы исследования считают, что раз органическая электроника состоит из тех же основных элементов (углерода и водорода), что и живые существа, то она может работать аналогичным образом.
Ученые проанализировали два различных фазовых перехода, пронумерованных как I-II и II-III в двумерных кристаллах териофена-хинона (2DQTT-o-B), которые происходили по кооперативному механизму. 2DQTT-o-B — на сегодняшний день один из самых эффективных органических полупроводников n-типа (носителями заряда в нем являются электроны, способные переносить по кристаллу электрический заряд; это отличает их от проводников p-типа, где носители заряда — «дырки»). Оба перехода сопровождались изменением яркости и цвета, что свидетельствовало об изменении показателей преломления материала. Поэтому авторы работы изучали их с помощью поляризационного оптического микроскопа. На кооперацию указывало то, что переход I-II обладал необычно высокой скоростью и отчетливым переходным слоем между двумя фазами (из-за лавинообразного механизма перехода). Напротив, переход II-III происходил долго — в течение нескольких минут — и не имел четкой фазовой границы. Такое поведение типично для нуклеации.
Ученые обнаружили, что кооперативный фазовый переход I-II сопровождается «разворотом» алкильных боковых цепей. Аналогия с домино вдохновила исследователей, и они установили, что причина кооперации в полупроводнике — спровоцированная повышением температуры переориентация алкильных групп, которая наклоняет само молекулярное ядро, как домино. Этот наклон заставляет кристаллическую систему лавинообразно коллапсировать, что и вызывает кооперацию. «Как и кости домино, молекулы не смещаются с того места, где они зафиксированы. Меняется только их наклон», — отметил Дэниел Дэвис. Использование тепла для перестройки алкильных цепочек также привело к тому, что кристалл сжался. В электронике это значит, что устройство будет реагировать включением или выключением при изменении температуры.
Применение этого открытия еще предстоит полностью реализовать. На данный момент развитие органических полупроводников — это шаг в сторону динамической органической электроники (dynamic organic electronics). Динамическая органическая электроника производится на основе легких материалов, является гибкой, может обрабатываться при низкой температуре и чувствительна к изменениям окружающей среды. Эти качества делают в перспективе ее идеальной для широкой области применения. Например, такую электронику можно будет применять в качестве умных датчиков, солнечных батарей и гибких дисплеев.
Автор: Нелли Чивилева.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
