11. august 2015

Danske forskere skaber gennembrud for fremtidselektronik

Kemi forskning

Når forskere drømmer om fremtidens elektronik, drømmer de, groft sagt, om at hælde væsker sammen, røre dem om, og hælde en computer ud på bordet. Forskningsfeltet kaldes selvsamlende molekylær elektronik, men det er præcist så svært, som det lyder, at få kemiske substanser til at samle sig selv til elektroniske komponenter, der virker. Nu har en gruppe forskere offentliggjort et gennembrud inden for feltet. En gruppe, som består af førsteårsstuderende på nanoscience uddannelsen på Københavns Universitet.

Thomas Just Sørensen er lektor ved Kemisk Institut på Københavns Universitet. Han har stået i spidsen for det forskningsprojekt, som nu udgiver artiklen ”Template-Guided Ionic Self-Assembled Molecular Materials and Thin Films with Nanoscopic Order” i det anerkendte internationale tidsskrift ChemNanoMat, og han mener, at resultatet vil føre nye gennembrud med sig:

"Det her er et direkte skridt frem mod selvsamlende elektronik. Ved at blande opløsninger af de rigtige stoffer fik vi helt automatisk bygget strukturer, der i princippet kunne være en solcelle eller en transistor!

Thomas Just Sørensen

Lektor

Kemisk Institut

Københavns Universitet

“Det her er et direkte skridt frem mod selvsamlende elektronik. Ved at blande opløsninger af de rigtige stoffer fik vi helt automatisk bygget strukturer, der i princippet kunne være en solcelle eller en transistor. Og de er vel og mærke bygget på samme måde som naturen bygger for eksempel cellemembraner”, siger Sørensen.

Studerende på forfatterlisten

Sørensens medforfattere er samtlige førsteårsstuderende på Københavns Universitets uddannelse i Nanoscience. Det flotte resultat er en konsekvens af en omlægning af uddannelsen i 2010 fra forskningsbaseret undervisning til undervisningsbaseret forskning. De studerende blev helt enkelt bedt om, som deres første opgave, at designe, udføre og analysere en række forsøg. Den nye undervisningsform har kastet forskningsresultater af sig hvert år siden, men det var først i 2013, at et resultat var klar til at offentliggøre.

”For os som universitet er den store nyhed helt klart, at det er førsteårsstuderende, der har udført forskningen. Men det er faktisk et meget væsentligt resultat inden for molekylær elektronik”, slår Thomas Just Sørensen fast.

Omvæltning for udvikling af elektroniske komponenter

Normal elektronikproduktion foregår på den måde, at man ”tegner” sine komponenter på en siliciumplade, og så fjerner alt det, der ikke skal være elektronisk komponent. Det kaldes ”Top down” produktion. Med molekylær elektronik fremstiller man transistorer, modstande, LED-skærme, solceller og så videre med kemiske metoder. I princippet betyder det, at elektronik kan blive både mindre, billigere og mere fleksibel og miljøvenligt. Men hvor man bare kan tegne sig frem til et integreret kredsløb i silicium, skal de molekylære komponenter selv organisere sig i de rette strukturer, og det er en stor udfordring at udvikle en metode, hvor de sætter sig sammen og ordner sig selv, så man kan finde dem igen, forklarer Sørensen.

”Det nytter jo ikke noget at have en bunke transistorer, hvis man ikke ved, hvilken vej de vender. Så kan man ikke sætte dem sammen, så de virker, og man kan heller ikke finde ud af, hvilken ende man skal sætte strøm til”, siger lektor Sørensen.

Ingrediens fra kosmetik gjorde selvsamling mulig

Hemmeligheden bag gennembruddet er… Sæbe. De molekylære komponenter, der gør den selv-samlende elektronik mulig, er den svampedræbende sæbe, som findes i Rodalon, der blandt andet bruges i cremer og kosmetik. Sæben dræber svampe ved at skabe uorden i deres cellemembraner, men den samme egenskab kan i stedet skabe orden i de molekylære komponenter. Så Sørensen og hans studenter har eksperimenteret med at hælde et væld af forskellige sæber, opvaskemidler og vaskepulvere, sammen med komponentlignende kemiske stoffer. Blandingerne har de hældt på glasplader, for så at undersøge om ”komponenterne” var blevet ordnet af sæben. Og det er de nu, siger Sørensen.

”Vores selvsamlende elektronik svarer lidt til at hælde lagkagebunde, syltetøj og flødeskum i en blender, og så hælde en perfekt formet lagkage ud af blenderen, når man er færdig med at mikse”, siger Thomas Just Sørensen.

En arbejdsgang fra en forside på Science

På sigt kan den nye opdagelse åbne døren for udvikling af billige og robuste solenergianlæg og inden for skærmteknologi. Men de molekyler, de arbejdede med på nanoscience uddannelsen, havde ingen elektroniske funktioner.

”Hvis de havde, var vi kommet på forsiden af tidsskriftet Science i stedet for at få en artikel i den grundvidenskabelige ChemNanoMat”, fortæller Just Sørensen, der dog alligevel er fortrøstningsfuld.

”Vi har opnået struktur alene ved at blande de rette stoffer. Selv tilfældige blandinger ordner sig flot og lagdelt, så vi har fuldt ud styr på, hvor molekylerne er, og hvilken vej de vender. Næste skridt bliver at putte funktioner ind i lagene”, siger Lektor Thomas Just Sørensen, der er overbevist om, at de udfordringer der nu skal overvindes, vil være perfekte opgaver for de næste mange årgange af nanoscience studerende, der alle kan ende med at blive videnskabelige forfattere allerede på deres første studieår.