Las monocapas orgánicas autoensambladas (SAM) existen desde hace más de cuarenta años. La forma más utilizada se basa en tioles, unido a una superficie metálica. Sin embargo, aunque los SAM de tiol son muy versátiles, también son químicamente inestables. La exposición de estas monocapas al aire provocará oxidación y degradación en un solo día. Los científicos de la Universidad de Groningen ahora han creado SAM utilizando buckybolas funcionalizadas con 'colas' de etilenglicol. Estas moléculas producen monocapas autoensambladas que tienen todas las propiedades de las SAM de tiol, pero permanecen químicamente sin cambios durante varias semanas cuando se exponen al aire. Esta robustez los hace mucho más fáciles de usar en investigación y en dispositivos. Se publicó un artículo sobre estos nuevos SAM en Materiales de la naturaleza el 30 de enero.

Las monocapas autoensambladas son estructuras dinámicas, Ryan Chiechi, profesor adjunto de Química de Materiales Orgánicos y Dispositivos de la Universidad de Groningen, explica:"Estas monocapas se autoreparan y las moléculas encontrarán continuamente el empaque más eficiente. Además, todos los procesos son reversibles, y es posible cambiar su composición ". Esto distingue a los SAM de otras monocapas que se utilizan para funcionalizar superficies." A menudo son muy estables, pero no se autoensamblan y carecen de la dinámica de los SAM ".

Túneles cuánticos

Los SAM basados ​​en la unión de tioles (grupos que contienen azufre) al metal se estudian y utilizan ampliamente. Las aplicaciones de SAM van desde el control de la humectación o la adhesión a superficies, creando resistencia química en la litografía, a la producción de sensores o nanofabricación. Las monocapas también se pueden utilizar para producir electrónica molecular. Chiechi afirma, "La corriente eléctrica pasará a través de una monocapa de este tipo mediante tunelización cuántica. Y pequeñas modificaciones en la capa molecular pueden alterar las propiedades de tunelización. A través de tal adaptación química, es posible crear nuevos tipos de electrónica ".

Sin embargo, Los SAM basados ​​en tiol más utilizados son sensibles a la oxidación cuando se exponen al aire. Sin protección no durarán ni un solo día. "Esto significa que necesita todo tipo de equipos para mantener el aire fuera cuando se trabaja con estos SAM para electrónica molecular, ", explica Chiechi." También dificulta su uso en un contexto biológico ".

Buckyballs funcionalizados

Aquí es donde entran en juego los nuevos SAM basados ​​en buckyball. En un esfuerzo conjunto, Científicos del Instituto Stratingh de Química y el Instituto Zernike de Materiales Avanzados de la Universidad de Groningen han descubierto y caracterizado las propiedades de los fullerenos funcionalizados con glicol-éter. Las buckybolas se adhieren a superficies metálicas incluso más fuertes que los tioles. Las colas de glicol-éter son polares y en disolventes orgánicos, esto induce la formación de una bicapa. "Simplemente coloque el metal en una solución de estas buckyballs funcionalizadas y la bicapa se formará mediante el autoensamblaje, "dice Chiechi. Además, Los SAM preparados de esta manera son muy resistentes a la oxidación:cuando se dejan expuestos al aire, permanecerán intactos durante al menos 30 días.

"Nuestros resultados sugieren fuertemente que las colas de las moléculas están entrelazadas. Esto da como resultado una estructura estable y muy dinámica donde las moléculas pueden moverse libremente, que es típico de un SAM, " says Chiechi. The outer layer can be replaced by adding other functionalized groups. Chiechi and his colleagues added spiropyrans (molecules that will change shape when exposed to UV light) connected to a glycol-ether tail. By placing an electrode on the outer layer, tunneling through the SAM was measured. The scientists showed that changing the shape of the spiropyran moiety with light also changed the conductance by several orders of magnitude.

Molecular electronics

There are other alternatives for thiol-based SAMs but they all have limitations. "We believe that our SAMs have all the properties of thiol-based SAMs, with resistance to degradation by air as a large bonus, " concludes Chiechi. "Furthermore, we have shown that our system can be used to create molecular electronics." And it also appears to be a very useful platform for studying the behavior of SAMs. "You can do this on your lab bench without any need for protection." Chiechi thinks that his system might be useful for studying the behavior of bilayers, including the lipid bilayers that form cell membranes.

The ability to change the composition of the SAMs opens up interesting applications in molecular electronics. Chiechi:"This might be used to create a topological computer architecture, for neuromorphic computing." Changes in the composition of the SAM could produce a memristor and possibly a system for stochastic computing, which uses the probabilities of 1s and 0s to represent numbers in a bitstream. "This could be represented by the fraction of one type of molecule in the SAM." Before this can become a reality, sin embargo, more work will have to be done, por ejemplo, to understand why the glycol-ether phase is such an efficient tunneling medium.