原子尺度的材料工程，灵感来自自然| ARC未来低能电子技术卓越中心

受大自然启发的新材料可能是未来电子产品的关键

自组装纳米结构具有原子精确的结构和定制的电子性能

单金属化TPPT的扫描隧道显微镜图像

生物有机体是我们所知道的最复杂的机器，能够以极高的效率实现要求苛刻的功能。

这些生物机器的一个共同主题是，所有重要的事情都发生在单分子水平上，也就是在纳米尺度上。

这些生物系统的功能依赖于自我组装——也就是说，分子之间精确而有选择性地相互作用，形成定义良好的结构。这种现象的一个著名例子是DNA的双螺旋结构。

现在，受到自组装生物系统的启发，包括FLEET物理学家在内的一个国际科学家小组创造了一种新的碳基自组装纳米材料，这可能是新的光伏和催化技术的关键。

通过自组装，研究人员能够以原子级的精度设计出一种新的由有机(碳基)分子和铁原子组成的一维纳米结构。

研究结果发表在本月的《自然通讯》和《ACS Nano》杂志上。

莫纳什大学的Agustin Schiffrin博士和Cornelius Krull博士

“通过一次控制单个原子和分子的位置来制造纳米材料是非常繁琐的，如果不是不可能的话，”首席科学家、莫纳什大学高级讲师和FLEET首席研究员Agustin Schiffrin博士说。

“相反，我们可以通过选择正确的分子、原子和制备条件，通过自组装来创建精确的原子结构。”

Schiffrin博士解释说:“这样做的好处是不需要外部干预。”

这种自我组装能力来自于使用有机(即碳基)分子来构建纳米单元。

利用有机合成化学，这些有机分子的形状、大小和相互作用的官能团可以以几乎无限种方式进行调整。

控制分子之间的相互作用可以产生所需的、定义良好的纳米结构，类似于DNA中核酸之间的相互作用产生双螺旋结构的方式。

“因此，我们可以构建具有非常精确的工程结构的材料，从而使材料具有所需的电子特性，”合著者Marina Castelli说，她是莫纳什大学物理与天文学院的博士生。

“就像生物有机体的功能依赖于纳米级的相互作用一样，这些新材料的物理和电子特性来自于它们在单分子水平上的结构，”莫纳什大学研究员Cornelius Krull博士解释说。

莫纳什大学博士生Marina Castelli在扫描隧道显微镜下检查样品

材料纳米制造的传统方法，如光刻，依赖于“自上而下”的方法，通过去除物质来形成材料的图案。这种方法最多只能达到1纳米量级的分辨率。

相反，“自下而上”的方法可以实现亚纳米级的图形分辨率，具有更高水平的电子特性控制和效率的潜力。

此外，采用以表面为基底的“自下而上”合成方法，可以获得通过传统合成方法无法获得的性能的纳米结构。

基于金属-有机分子复合物的纳米材料在技术和生物方面具有广泛的实用功能，从催化到光伏到气体传感和存储。

在这些体系中，金属-有机配位基序的原子尺度形态和电子构型起着至关重要的作用，决定了它们的整体电子和化学性质。

基于三核金属-有机配位基序的表面一维纳米结构:金属中心的局部电子构型为光电子学和催化领域的新功能提供了希望。

检查电子性质，光电子学的潜力这篇论文表面合成设计光电子性能:铁-三吡啶大分子配合物的形成与电子结构发表在ACS Nano上的论文描述了一维铁基金属有机纳米结构的电子态(已占据态和未占据态)的能量和空间依赖性，在接近费米能级的能量范围内，这可用于光电应用，如光伏、光催化和发光器件。

在单原子水平上研究结构和化学这篇论文表面具有局部电荷积聚的铁基三核金属有机纳米结构发表在《自然通讯》上的论文描述了非平凡铁分子配位基序在原子尺度上的分子内结构和电荷分布，对催化应用非常有用。

这项研究代表了FLEET和莫纳什大学的研究人员和来自澳大利亚的科学家之间成功的合作英属哥伦比亚大学和捷克科学院(完整的作者名单和隶属关系见论文)。

FLEET首席研究员教授Nikhil Medhekar领导了莫纳什工程团队，他们做了这项研究背后的部分理论工作，而FLEET的合作伙伴组织澳大利亚同步加速器也参与了结果结构的表征。

原子操作作为分子程序化自我组装的替代方法，莫纳什大学的研究人员实际上可以放置单个原子。例如,这个“微品牌”项目由42个独立的铁原子创建FLEET标志。

这些研究表明，超分子自组装和金属有机化合物有助于合成具有定制和增强电子性能的新型纳米材料。

这些材料与FLEET的目标相关，FLEET是澳大利亚研究委员会的卓越中心。

未来低能耗电子技术中心(FLEET)汇集了100多名澳大利亚和国际专家，共同致力于开发新一代超低能耗电子产品。

这些工作背后的动力是日益增长的挑战计算能量美国耗电量占全球的5-8%，而且每十年就翻一番。

原子尺度的材料工程，灵感来自大自然