Je leest:

Elektrische stroom door één waterstof molecuul

Elektrische stroom door één waterstof molecuul

Natuurkundigen van de Universiteit Leiden hebben, samen met een collega van IBM research in de Verenigde Staten, aangetoond dat het mogelijk is om elektrisch contact te maken met één enkel waterstof molecuul. Het molecuul, gekoppeld aan twee platina draadjes, blijkt een bijna perfecte geleider te zijn. Waterstof is het eenvoudigste en kleinste molecuul, en het onderzoek vormt daarmee een fundamentele stap in de ontwikkeling van elektronische schakelingen gebouwd met organische moleculen. Hun bevindingen publiceerden de onderzoekers op 31 oktober in het gezaghebbende wetenschapstijdschrift Nature.

Elektronische schakelingen, zoals die in de processor van een PC, worden voortdurend krachtiger en sneller. Dit alles is mogelijk omdat de componenten op een computerchip alsmaar kleiner gemaakt worden, zodat er méér schakelelementen op een chip passen, die bovendien sneller kunnen schakelen, en dit vereist voortdurende verfijning van de bestaande fabricagetechnieken. Hoewel het einde van deze ontwikkelingen pas over tien jaar wordt verwacht, dromen wetenschappers al van revolutionair kleinere elektronische schakelingen, op basis van individuele moleculen als schakelelementen.

Afbeelding 1. Model van de geleidende brug van een enkel waterstofmolecuul tussen twee platina elektroden. De grafiek geeft, in kleur en hoogte, de verdeling van de elektronen weer binnen de waterstof atomen en de naastgelegen Pt atomen, en het zijn deze elektronen die de elektrische geleiding mogelijk maken.

Een eerste stap in die richting vereist het aanbrengen van elektrische contacten om een molecuul met de meetapparatuur te verbinden. Normaal gesproken worden geleidingseigenschappen van een elektronische component getest door verbindingsdraden aan te brengen met zogenaamde krokodillenklemmen, maar voor een waterstofmolecuul met een afmeting van slechts een tiendmiljoenste millimeter is dat duidelijk uitgesloten. De onderzoekers maakten daarom gebruik van het feit dat waterstof een chemische binding kan vormen met een platina metaaloppervlak. Om geleiding te kunnen meten zijn ten minste twee verbindingsdraden nodig, die dan op een afstand gelijk aan de afmetingen van het waterstofmolecuul van elkaar moeten worden gehouden. Hiertoe werd eerst een klein contact gemaakt tussen twee platina draden, en dit contact werd geleidelijk aan verbroken door het zeer gecontroleerd, atoom-voor-atoom, uiteen te trekken. Men kan dit breekproces volgen totdat er nog slechts een enkel platina atoom is dat de verbinding vormt tussen de twee draden, en bij verder trekken wordt ook deze verbinding ten slotte verbroken. Wanneer dit proces nu herhaald wordt in de aanwezigheid van waterstofgas blijkt dat een waterstofmolecuul in het gat springt tussen de twee draden, juist nadat de laatste platina-atoomverbinding verbroken wordt.

Uit analyse van de geleidingseigenschappen van deze verbinding konden de onderzoekers de karakteristieke trillingsfrequentie van het waterstof molecuul waarnemen. Verdere bevestiging dat de brug gevormd wordt door een waterstofmolecuul werd verkregen door vervangen van waterstof (H2) door de zwaardere isotopen deuterium (D2) en deuterium hydride (DH). Door de grotere massa van de isotopen is de trillingsfrequentie lager, en de verschuiving van de frequenties die werd waargenomen was precies zoals verwacht.

Afbeelding 2. Het waterstofatoom in het periodiek systeem der elementen

Waterstof heeft slechts een enkele elektronenbaan ter beschikking om bij te dragen aan de geleiding en dit maakt dat de weerstand van de platina-waterstof-platina brug groter of op zijn best gelijk moet zijn aan de kwantumeenheid van weerstand, 12,9 kiloOhm. In de experimenten blijkt het waterstofatoom vrijwel exact die kwantumweerstand te tonen, en het vormt daarmee een perfect geleidende brug. De volgende stap in het onderzoek is erop gericht contact te maken met meer gecompliceerde moleculen, die in samenwerking met chemici zodanig zijn ontworpen dat ze de functies van elektronische schakelelementen kunnen vertonen.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 06 november 2002

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.