波恩大学
光的吸收在分子阶梯上产生一包能量
背景图像显示了用扫描隧道显微镜对阶梯结构的真实测量
功劳:约书亚·巴尔和特里斯坦·凯勒 来自波恩大学和雷根斯堡大学的研究人员沿着由数百个苯环组成的分子阶梯移动能量包
这种聚合物可以潜在地用于设计基于有机发光二极管的新型显示器，或者用于太阳能电池
这份非同寻常的材料现在发表在《自然通讯》杂志上
19世纪，科学界对神秘化合物苯中的原子是如何排列的感到困惑
这个“芳香”分子很快被证明具有惊人的简单结构:它由六个碳和六个氢原子组成
但是这12个原子是如何在太空中排列成化学稳定的物体的呢？后来成为波恩大学教授的化学家弗里德里希·奥古斯特·凯库雷将光明带入黑暗
传说他在1861年冬天坐在壁炉旁打瞌睡
凯库雷突然看到一条蛇正在吞食自己的尾巴
他意识到苯的碳原子必须组织成一个圆圈，类似于一个小车轮
“这个梦想最终为19世纪末化学工业的大规模扩张奠定了基础，”教授说
波恩大学凯库勒有机化学和生物化学研究所的齐格鲁德·赫格是波恩大学跨学科研究领域“物质和基本相互作用的组成部分”的成员
例如，苯是油漆、药品和塑料的重要组成部分
数百个阶梯形状的苯环 虽然轮子经常被吹捧为人类最古老的发明，但梯子实际上要老得多
凯库雷在波恩大学的继任者们一直梦想着由数百个苯环组成的梯形分子
来自凯库勒研究所和波恩大学穆利肯理论化学中心的研究人员，以及一个由教授领导的团队
雷根斯堡大学实验和应用物理研究所的约翰·勒普顿现在已经构建了这样一个分子阶梯
这是一种分子，具有两条所谓的共轭聚合物轨道，其中双键和单键在碳原子之间交替
当你爬上一个普通的梯子时，它们组成了你可以抓住的栏杆
研究人员首先设计了一种前体化合物，它只含有一条聚合物链和连接的可聚合基团——一条柔韧的“蛇”
“对于一些材料，梯子的第二根横杆是在随后的步骤中通过拉链反应形成的，就像合上一件夹克一样
这样，除了具有单个共轭轨道的聚合物之外，研究小组还获得了具有两个共轭轨道的聚合物——刚性“梯子”
“这两种聚合物的长度相等，现在可以相互比较:将蛇变成梯子会如何影响材料的性能？ 研究人员用扫描隧道显微镜检查了这个结构
这个微小的分子阶梯高一纳米(百万分之一毫米)，宽两纳米，长一百纳米
化学家们还通过广泛的计算机模拟证实了梯子的形状和非凡的刚性——与蛇相比——这种模拟使用了预测分子中所有原子单独运动的新理论
信用:塞巴斯蒂安·斯派彻 电子产品的潜在构件 “阶梯结构不仅在分子置于表面时得以保留，而且在它们溶解于液体时也得以保留，”教授表示
雷根斯堡大学的卢普顿
他补充说，这一特性允许能量在空间中沿着分子移动，为光网络、电路和传感器提供了潜在的构建模块
原则上，这种聚合物可以传导电流，并可用于制造基于有机发光二极管(OLEDs)的新型显示器，或在太阳能电池中将光转化为电
当光落在这样的分子上时，它被吸收并产生一小包能量
研究人员能够观察到这些包裹是如何不受阻碍地沿着梯子移动的，就像在拉链上一样
另一方面，开放的蛇形聚合物没有显示出这种效果
它们的性质类似于传统的聚合物分子:包裹沿着“蛇”滑动并失去能量
凯库雷破碎的梦想 “虽然老凯库雷将单个分子视为一个环，但他肯定做梦也没想到有一天会有如此坚硬的巨型分子，以至于它们无法咬自己的尾巴，”赫格说
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