Phương pháp dẫn xuất tổng hợp từ cây chàm gợi mở về các thiết bị điện tử tương lai

Các nhà hóa học tại viện RIKEN đã phát triển một phương pháp tạo ra một dẫn xuất tổng hợp của cây chàm làm thuốc nhuộm tự nhiên không đòi hỏi những điều kiện ngặt nghèo. Khám phá này có thể gợi mở về khả năng tạo ra những dụng cụ điện tử tiên tiến, bao gồm các thiết bị đáp ứng ánh sáng và các cảm biến y sinh có thể co dãn được.

Phân tích tia X đơn tinh thể cho thấy hai proton (các điểm màu vàng sáng, trên và dưới) dịch chuyển giữa hai vị trí trong phân tử. Nguồn: Royal Society of Chemistry, CC BY 3.0 DEED

Các chất bán dẫn được tạo thành từ những phân tử hữu cơ đang thu hút sự chú ý của các nhà khoa học bởi vì không giống như các chất bán dẫn cứng thông thường được làm từ silicon, chúng có thể rất linh hoạt, mềm dẻo và nhẹ. Điều này làm mở ra những khả năng mới cho thiết kế các linh kiện bán dẫn.

Các phân tử hữu cơ đều có lợi thế là có thể tạo ra những cấu trúc khác nhau. “Các chất bán dẫn hữu cơ đều linh hoạt trong thiết kế phân tử, cho phép chúng đáp ứng những tính năng mới”, theo Keisuke Tajima của Trung tâm Khoa học vật liệu mới nổi của RIKEN và là tác giả dẫn đầu mới xuất bản trên tạp chí Chemical Science 1.

Để khám phá ra tiềm năng giúp tăng cường chức năng điện tử thông qua thiết kế phân tử, Tajima và nhóm nghiên cứu của anh đã tìm hiểu một phân tử liên quan đến cây chàm, một loài cây thường được dùng để tách chiết màu nhuộm hoặc màu vẽ 2, đó là 3,3-dihydroxy-2,2-biindan-1,1-dione (BIT). “Dự án này bắt đầu với một câu hỏi đơn giản: các proton và electron chuyển động một cách đồng bộ ở trạng thái rắn không?”, Tajima nói.

Việc chuyển electron kết cặp proton – trong đó chuyển động của các electron liên quan đến các proton – thường được coi là quan trọng với việc chuyển electron hiệu quả trong các hệ sinh học. Nếu như có thể tích hợp trong các vật liệu hữu cơ ở trạng thái rắn, nó có thể dẫn đến việc tạo ra những chất bán dẫn với các đặc trưng độc đáo về động lực học. Cho đến hiện nay tuy nhiên, vẫn chưa có vật liệu ở trạng thái rắn hiển thị được việc chuyển electron kết cặp proton.

Tajima và nhóm nghiên cứu của anh mới tìm ra BIT và những dẫn xuất của nó đã trải qua những đợt tái sắp xếp bất thường trong cấu trúc của nó, bao gồm chuyển proton kép có thể khiến cho chúng có những năng lực độc đáo như những vật liệu có chức năng điện tử.

Tajima nhận thấy BIT và những dẫn xuất của nó là những vật liệu hứa hẹn cho chuyển electron kết cặp proton ở trạng thái rắn bởi vì những tích hợp phân tử hai proton ở vị trí lý tưởng cho việc nhảy từ một vị trí này sang vị trí khác trong suốt quá trình chuyển electron.

Cho đến hiện nay thì việc tạo ra BIT đòi hỏi những điều kiện khắt khe khiến ràng buộc phạm vi mà các dẫn xuất được tạo ra. Do đó các thành viên của nhóm nghiên cứu đã phát triển một cách tiếp cận phù hợp với nhiệt độ phòng, cho phép quá trình tổng hợp của vô số các dẫn xuất BIT được diễn ra trong những điều kiện bớt ngặt nghèo hơn.

Với các dẫn xuất BIT trong tay, nhóm nghiên cứu có thể khám phá thêm những đặc trưng khác nhau của phân tử này. “Phần khó nhất là chứng tỏ các proton trong BIT đã trải qua việc chuyển proton giữa các phân tử ở trạng thái rắn”, Tajima nói. Trong mối quan hệ hợp tác với các chuyên gia RIKEN ở lĩnh vực tinh thể học tia X và cộng hưởng từ hạt nhân trạng thái rắn (NMR), nhóm nghiên cứu đã chứng tỏ được hai proton đã có trao đổi nhanh vị trí của chúng.

Các tính toán cho thấy việc chuyển proton thậm chí còn kết hợp với việc chuyển điện tích; do đó cái đích tiếp theo của nhóm nghiên cứu là xác nhận sự chuyển đổi kép này về mặt thực nghiệm. “Chúng tôi không biết liệu sự hiện diện của một proton có làm tăng khả năng vận chuyển điện tích không nhưng về vật lý cơ bản thì điều đó sẽ mở ra những hướng đi rất thú vị”, Tajima nói.

Thanh Phương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2024-02-method-synthetic-derivative-natural-indigo.html

https://www.riken.jp/en/news_pubs/research_news/rr/20240201_1/index.html

—————————————–

1.https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/sc/d3sc04125e

2. https://tiasang.com.vn/van-hoa/co-gai-deo-hoa-tai-ngoc-trai-nhung-chi-tiet-giau-kin-25278/

Tác giả