يقول الباحثون في معهد وايزمان الذين اكتشفوا طريقة لتطوير مواد نانومترية فريدة: "إذا سمح للمرء أن يحلم، فقد يكون من الممكن باستخدام هذه الطريقة إنشاء أجهزة كهربائية صغيرة وفعالة وصديقة للبيئة".
من اليمين: د. أييليت ويلان، بروفيسور ديفيد كان، د. أوليفر سيتز و بروفيسور أنطوين كان. سندات مزدوجة
إحدى الطرق لتحسين شيء ما هي "إفساده" قليلاً. وهكذا، على سبيل المثال، الصلب هو الحديد "الملوث" مع القليل من الكربون. تطورت صناعة الإلكترونيات الحديثة وتأسست بفضل القدرة على تحضير أشباه الموصلات المصنوعة من السيليكون (السيليكون) بدرجة عالية من النقاء بحيث يمكن تلويثها ("المملحة") بطريقة محسوبة ومسيطر عليها. مفهوم العدوى مأخوذ من عالم الأحياء الدقيقة، حيث يشير إلى الإصابة بالبكتيريا أو المرض الملوث. يقوم باحثو المواد بإجراء عملية الطلاء عن طريق إدخال كمية صغيرة من الذرات الغريبة، مثل ذرات الفوسفور، في القالب. وهو التوصيل الذي يجعل من الممكن توجيه حركة الإلكترونات عبر شبه الموصل، وبالتالي التحكم في خواصه الكهربائية. هذه ظاهرة مشابهة لما يحدث عند إضافة كرسي فارغ إلى دائرة من الأشخاص الجالسين - وهو الأمر الذي يسمح "بالتدفق" المستمر للأشخاص إلى الكرسي الفارغ (المتغير). وتحدث ظاهرة مماثلة عندما يبدأ الشخص الذي يدخل دائرة المقاعد الفارغة في التحرك والانتقال من كرسي إلى آخر.
ونجح مؤخراً فريق من العلماء من معهد وايزمان للعلوم، بالتعاون مع علماء أمريكيين، في تطبيق هذه العملية لأول مرة في مجال تطوير الإلكترونيات العضوية. ولدت فكرة استبدال الشكل الموجود في المكونات الكهربائية بالجزيئات والبوليمرات العضوية منذ حوالي خمسة عقود. وهذه فكرة جديرة بالاهتمام من وجهات نظر مختلفة: فهناك مجموعة كبيرة ومتنوعة من الجزيئات العضوية، وبعضها أرخص بكثير من أشباه الموصلات المستخدمة اليوم؛ المواد العضوية قابلة للتحلل الحيوي - وبالتالي فهي أكثر صداقة للبيئة؛ كما أن بنيتها المرنة تجعل من الممكن التصميم وإجراء التغييرات بسهولة نسبية، وبالتالي التأثير على الخواص الكهربائية للأجهزة المكونة لها. تنشأ الصعوبات الرئيسية في تطبيق الإلكترونيات الجزيئية من الحاجة إلى استخدام مواد عضوية نظيفة بشكل كافٍ، وكذلك إيجاد طرق فعالة لتكثيفها - كما حدث في عمليات تحضير الأجهزة الإلكترونية المصنوعة من القصدير.
أحد أساليب البحث في العمل مع المواد العضوية هو اختبار الخواص الكهربائية للجزيئات الفردية، أو الطبقات الرقيقة، التي لا يتجاوز سمكها سمك جزيء واحد. بدأ البروفيسور يعقوب سيغيف، من قسم أبحاث المواد والأسطح في معهد وايزمان للعلوم، بإجراء أبحاث حديثة على الطبقات العضوية أحادية الجزيئية منذ حوالي 25 عامًا. واليوم، يعمل العديد من العلماء من مختلف أنحاء العالم في هذا المجال من البحث. وهي أنظمة دقيقة، مما يزيد من الصعوبات في طريق الباحثين، حيث يصعب تركيبها لغرض إجراء القياسات الإلكترونية دون المساس بسلامتها. وتنشأ صعوبة أخرى من حقيقة أن هذه الطبقات الرقيقة تحتوي على عيوب، والتي تمليها قوانين الديناميكا الحرارية. هذه العيوب، التي تؤثر على مرور تيار الإلكترون، يمكن أن تحدد نتائج القياسات الكهربائية - وهي المشكلة التي كانت حتى وقت قريب بمثابة نقطة الضعف في هذا المجال. بالإضافة إلى ذلك، كانت إمكانية تصفية الأنظمة العضوية أحادية الجزيء ومعنى العملية موضع شك.
وهنا ظهر في الصورة البروفيسور ديفيد كاهان وباحث ما بعد الدكتوراه الدكتور أوليفر سيتز من قسم المواد والسطوح في كلية الكيمياء، ويعملان بالتعاون مع الدكتور إيلات فيلان والدكتور حجاي كوهين من قسم الأبحاث الكيميائية. وحدة البنى التحتية في معهد وايزمان للعلوم، ومع البروفيسور أنطوين خان، الأستاذ الزائر في المعهد من جامعة برينستون. لقد تمكنوا من خلال القوات المشتركة من أن يظهروا لأول مرة أن مثل هذه الجدولة ممكنة بالفعل.
وبالتالي، كانت الخطوة الأولى في عمل الباحثين هي "تنظيف" طبقة العيوب. تضمن العمل الدقيق للنمل عمليات طويلة من التجفيف والتنظيف وإزالة الأكسجين والمزيد. واستخدم الباحثون نوعاً بسيطاً من الجزيئات العضوية، تشبه مادة "الأوكتان" الموجودة في الوقود، وهي معزولة بصرياً
نوع من القطارات. وبالفعل أظهرت القياسات الكهربائية أن تيار الإلكترون الذي يمر عبر الطبقة الرقيقة يشبه ذلك الذي يمر عبر عازل مثالي. معنى النتيجة هو أن النظام يحتوي بالفعل على مستوى معين لا مفر منه من العيوب، لكن هذه العيوب لم تعد تملي سلوك الإلكترونات.
والآن بعد أن أصبح لديهم نظام نظيف في حوزتهم، بدأ العلماء في "تلويثه"، أي إجراء التوجيه. للقيام بذلك، قاموا بتشعيع السطح بالأشعة فوق البنفسجية أو بشعاع إلكتروني ضعيف. ونتيجة لذلك حدث تغير كيميائي في تركيب سلاسل الكربون التي تشكل الطبقة الجزيئية، وتشكلت روابط مزدوجة بين ذرات الكربون. تؤثر هذه الروابط على حركة الإلكترونات عبر الجزيئات العضوية.
البروفيسور كان: "الطريقة التي طورناها تجعل من الممكن بدء العمل بنظام يتصرف بشكل مثالي، حيث توجد طبقة موحدة بما فيه الكفاية من الجزيئات العضوية، والتي (وليس العيوب) تملي طبيعة مرور الإلكترونات في المادة . وبمجرد وجود مثل هذا النظام المثالي، يمكن تغييره وفقًا للاحتياجات من خلال التوجيه، وبالتالي التحكم في خصائص النقل الكهربائي. وقد تم وصف الطريقة الجديدة مؤخرًا في المجلة العلمية للجمعية الكيميائية الأمريكية.
ويقول العلماء إن هذا سيجعل من الممكن التوسع بشكل كبير في استخدام الطبقات العضوية أحادية الجزيئية في مجال الإلكترونيات النانوية. الدكتور سيتز: "إذا سمح للمرء أن يكون متفائلاً جداً، وأن يحلم قليلاً، فربما بهذه الطريقة سيكون من الممكن إنشاء أجهزة كهربائية صغيرة ومختلفة، وربما أيضاً أكثر صداقة للبيئة، مقارنة بالأجهزة الموجودة اليوم". ".
