הפיתוח החדש יספק אמצעים פשוטים וחסכוניים לבקרה על הכימיה של משטחים לכל רוחב הרמות, החל מרמת השבב השלם (סנטימטרים אחדים) ועד רמת הפרודה הבודדה (תת-ננומטרים)
על-מנת שתהיה שימושית ביישומים מעשיים, חד-שכבת פרודות על משטח, שמתקבלת בתהליך של התגודדות עצמית (self-assembled monolayer, SAM), חייבת להיות יציבה ונשלטת מבחינה מבנית. חוקרים מאוניברסיטת Penn State ומהחברה המסחרית סיגמא-אולדריץ' מצאו דרך לבקרת הגיאומטריה והיציבות בייצור שכבות שכאלו מתוך איזומרים שונים של חומר הקרוי קרבוראן-תיול (carboranethiol) שהינו פרודה דמוית כלוב (קישור לויקיפדיה). ממצאי המחקר מתפרסמים בגיליון מרץ של כתב-העת המדעי ACS Nano.
“התוצאות שלנו מאפשרות לנו לשלוט על המאפיינים הכימיים והפיסיקליים של חד-שכבות מתגודדות-עצמית (SAM) מבלי לשנות את המבנה שלהן,” אמר ראש הצוות מהאוניברסיטה, הפרופסור לכימיה ופיסיקה Paul Weiss. “היכולת לשלוט בסוגי מאפיינים אלו מאפשרת לנו ליצור חד-שכבות שכאלו שמסוגלות, לדוגמא, ללכוד באופן בררני ביו-פרודות מתערובות מורכבות. פרודות אלו מספקות לנו חד-שכבות באיכות גבוהה – בעיקר בזכות פשטותן. חידוש זה פותח צוהר ליכולות חדשניות במושגים של בקרה ותִּבְנוּת (patterning). אנו מעוניינים להציג אמצעים פשוטים וחסכוניים לבקרה על הכימיה של משטחים לכל רוחב הרמות, החל מרמת השבב השלם (סנטימטרים אחדים) ועד רמת הפרודה הבודדה (תת-ננומטרים).”
באמצעות השימוש בשני איזומרים שונים של קרבוראן-תיול, צוות המחקר הכין חד-שכבות בעלות גיאומטריה זהה ובנוסף בעלות עוצמות זיקה כימית נשלטות. הם גילו כי הם מסוגלים לשלוט בקלות בתכונות הכימיות, בכללן עמידות כימית ומידת רטיבותן של החד-שכבות החדשניות. “היופי בחד-שכבות מתגודדות-עצמית טמון בעובדה כי באמצעות שכבה של ננומטר אחד או שניים אנו מסוגלים לשנות לחלוטין את תכונותיהם הכימיות, הפיסיקליות והביולוגיות של משטחים,” אמר החוקר הראשי.
בכדי להכין את החד-שכבות החדשניות החוקרים ביצעו ניסויים שונים בהם הם חיברו את אחד מסוגי פרודת הקרבוראן-תיול או את שניהם – או איזומר המטא-9 (M9) או המטא-1 (M1) – למשטחי זהב באמצעות קשרי זהב-גופרית.
כל אחד מכלובי הקרבוראן מורכב מעשרה אטומי בור (boron) ומשני אטומי פחמן. לאטומי הפחמן יש קישור בלתי-רגיל של שישה קשרים (בניגוד לארבעה הרווחים בתרכובות מכילות פחמן) המעניק להם מטען חשמלי חיובי. כתוצאה מכך, לכלובי הקרבוראנים יש מומנט דו-קוטבי (dipole) – אמת-מידה לשיעור הפרדת המטענים החשמליים של פרודה המסייעת בקביעת פעילותה עם מים וחומרים אחרים – שהינו כמעט מקביל לחלוטין למשטח (עבור הסוג M1, בו אטום גופרית קשור לאטום פחמן של הכלוב) או כמעט ניצב לחלוטין למשטח (עבור הסוג M9, בו אטום גופרית קשור לאטום בור של הכלוב).
“שני סוגי התרכובות, M1 ו- ,M9 מייצרים את אותו המבנה על משטח החד-שכבות, אולם הסוג של M1 הופך אותן ליציבות יותר, בעוד שהסוג של M9 הופך אותן להידרופיליות (“נמשכות” למים) יותר,” אמר החוקר. “כל אחד ממאפיינים אלו הינו מועיל, בנפרד, ליישומים שונים.”
החוקרים מצאו כי פרודות מהסוג M1 מגיבות בעוצמה רבה יותר אחת עם רעותה מאשר הפרודות מהסוג M9 וזאת הודות לפעולות-הגומלין שבין דו-הקטבים של כלובי M1. כתוצאה מכך, נדרשה כמות אנרגיה גבוהה יותר בכדי להרחיק את פרודות ה- M1 מהשכבות – כלומר נוצרו שכבות יציבות יותר. בניגוד לכך, חד-השכבות מסוג M9, למרות היותן פחות יציבות, ספגו לתוכן לחות בקלות רבה יותר מאשר M1 מכיוון שדו-הקטבים שלהן כוונו לצידן החיצוני.
“כימיית הקרבוראנים מובנת וידועה מספיק כך שניתן לנצל את חד-השכבות החדשות הללו במידה נרחבת ביותר,” ציין החוקר. “לדוגמא, ניתן להוסיף עוד קבוצות כימיות לנקודות נבחרות בחד-שכבות ולקבל חומרים חדשים לחלוטין.”
צוות החוקרים המשותף מהאוניברסיטה ומהחברה המסחרית מתכנן להמשיך את מחקרו בפיתוח ספריית חומרים מעין אלו שיוכלו לשמש בעתיד להכנת ננו-מבנים וננו-התקנים חדישים.
