Forestil dig en dråbe vand. Inden i den er der flere milliarder vandmolekyler.
De er så små, at størrelsesforholdet mellem et vandmolekyle og en fodbold er omtrent det samme som mellem en fodbold og Jorden!
Molekyler er altså bittesmå. Og de bittesmå molekyler kan hjælpe os med at udvikle fremtidens teknologi. Hvordan vil jeg fortælle om i denne artikel.
Hjertet i elektroniske kredsløb
For nok er molekyler små, men de har egenskaber, som minder lidt om os mennesker:
De er utroligt komplekse, fantastisk forskelligartede - og så kan de lede strøm, hvis du forbinder dem korrekt til to elektroder.
Netop den egenskab ligger til grund for forskningsfeltet molekylær elektronik. Og det har fået forskere verden over til at drømme om en fremtid, hvor molekyler fungerer som hjertet i elektroniske kredsløb.
De er nemlig mindre end de mikrochips og andre elektroniske komponenter, der bliver brugt i eksempelvis mobiler og computere i dag. Jo mindre komponenterne er, desto flere kan vi tilføje vores elektroniske enheder – og det betyder hurtigere, mere kraftfulde computere og smartphones!
Men der er udfordringer: En af de største er varme.
Tænk bare på, hvor varm din mobiltelefon bliver, når du lader den op. Hvis varmen ikke bliver ledt væk, kan det give problemer.
Så hvordan håndterer vi den varme, der opstår, når vi bruger molekyler som elektroniske komponenter? Svaret kan måske være tunge atomer.
I det følgende forklarer jeg, hvordan tunge atomer kan gøre molekyler bedre til at isolere varme – og hvad dét måske kan bruges til i fremtidens materialer.
Tunge atomer er nøglen til effektiv varmedæmpning
I min forskning har jeg fundet ud af, at man kan indsætte tunge atomer i et molekyle for at reducere dets evne til at lede varme.
Faktisk har vi beregnet, at et bestemt molekyle - med det knap så mundrette navn MoMoNi(npo)₄(NCS)₂ - kun leder varme med 8,3 pW/K.
pW/K står for picoWatt per Kelvin og angiver den mængde af varme, der bliver transporteret for hver grads temperaturforskel.
Det er ekstremt lidt – faktisk nær de laveste værdier, der er beregnet for molekylære systemer. Det peger på, at vi er på spor af en ny metode til at designe mere energieffektive molekylære systemer.
Hvordan ledes varme gennem molekyler?
Vi vender tilbage til MoMoNi(npo)₄(NCS)₂ om lidt. Først skal vi lige runde, hvordan molekyler grundlæggende leder varme.
Varmeledning i nanomaterialer, der består af molekyler, er nemlig lidt anderledes end i materialer, vi kender fra hverdagen.
Noget af varmeledningen sker ved varmestråling - hvis du nogensinde har set et rød- eller hvidglødende stykke metal, så har du allerede oplevet dette.
For nanomaterialer foregår en stor del af varmeledningen dog også som små vibrationer kaldet ‘fononer’.
At kontrollere disse fononer er nøglen til mange teknologier. Men spørgsmålet er, hvordan vi kan gøre dét i systemer, der er så små, at de nærmest er usynlige for selv de mest avancerede mikroskoper?
Simpelt design, stor effekt
Med vores viden om, at varme i molekyler primært ledes af fononer, blev vi nysgerrige på, om der mon kunne være nogle simple ændringer i molekylernes struktur, som kunne mindske varmeledningen – og her kommer min og mine kollegers forskning ind:
Ved hjælp af simple matematiske modeller og avancerede computermetoder kunne vi simulere, hvordan forskellige dele af et molekyles struktur påvirker varmeoverførslen.
På den måde får vi nogle konkrete pejlemærker og tommelfingerregler til at designe molekyler, så vi helt præcist kan kontrollere deres evne til at lede varme.
Vores beregninger viste, at lange kæder af tunge atomer fungerer som en slags ‘varmedæmper’, der bremsede fononernes transport gennem molekylerne markant (se faktaboksen nedenfor for mere info om fononer).
Lidt som hvis man gjorde en guitarstreng tungere, så den var sværere at sætte i svingning.
Fra skærm til syntese
Inden vi kunne offentliggøre resultaterne, var vi dog nødt til at rådføre os med vores kollegaer, der står i laboratoriet.
Når man som computerkemiker opdager et system, der har interessante eller nyttige egenskaber, så er det enormt vigtigt.
Ellers kan vi let komme til at lave beregninger på molekyler, der aldrig (eller kun med megen møje) ville kunne laves i virkeligheden.
Gennem samarbejdet med kollegerne i laboratoriet fandt vi nogle systemer kaldet Extended Metal Atom Chains (EMACs). De er både nemme at fremstille - eller syntetisere, som vi kemikere kalder det - og gode til at dæmpe varmeledningen.
EMACs er nemlig en lang kæde af metaller, som er dekoreret med organiske molekyler – ligander. De binder sig til metallerne og stabiliserer strukturen.
Metallerne er relativt tunge og giver derfor den nødvendige tyngde, der dæmper varmeledningen. Og liganderne sørger for, at kæderne ikke går i stykker, når man måler på dem.
Fra enkle modeller til præcise beregninger
Vi efterprøvede de simple modellers forudsigelser på en håndfuld EMACs med mere avancerede computermodeller (kaldet tæthedsfunktionalteori), der præcist kan løse den elektroniske struktur for et molekyle.
Vi fandt, at især ét molekyle var særdeles fremragende til at dæmpe varmeledningen - og her er vi så tilbage til det tunge molekyle med det knap så mundrette navn: MoMoNi(npo)₄(NCS)₂.
Navnet er lidt en mundfuld, men det er egentlig bare en beskrivelse af de kemiske bestanddele af molekylet. Ligesom CO2 både er navnet på stoffet kuldioxid i daglig tale og en beskrivelse af molekylets bestanddele.
Her på billedet, kan du se en illustration af, hvordan det kunne se ud, når MoMoNi(npo)₄(NCS)₂ sidder fastspændt mellem to elektroder af guld.
MoMoNi(npo)₄(NCS)₂ har en beregnet varmeledningsevne på kun 8,3 pW/K.
Det er svært direkte at overføre dette tal til noget intuitivt fra hverdagen, men et nyligt studie peger på, at materialer, der har en varmeledningsevne på under 10 pW/K kan være ekstremt anvendelige i termoelektriske materialer – altså materialer, der omdanner varme til elektricitet.
De kan potentielt bruges til at drive 'wearables' som for eksempel smart watches, så de ikke hele tiden skal oplades.
Hvordan ser fremtiden ud?
Der er stadig lang vej, før molekyler med tunge atomer kan blive en fast bestanddel af hverdagslivet. For eksempel mangler vi stadig at efterprøve vores beregnede resultater med eksperimentelle målinger.
En anden udfordring er, hvad der sker, når man har mange molekyler, der sidder tæt sammen.
I vores studie har vi kun kigget på enkelt-molekyler, men i virkelighedens verden vil man gerne have en masse molekyler, der sidder tæt sammen, så man får den største mulige effekt.
Måske begynder molekylerne at vekselvirke med hinanden på uhensigtsmæssige måder? Lidt på samme måde som en enkelt persons adfærd ændrer sig, alt efter om de går rundt alene hjemme eller er blandt mange mennesker i et supermarked for eksempel.
På trods af de mange udfordringer, kan molekyler med tunge atomer og deres markante evne til at dæmpe varmespredningen, blive en lille brik i det komplekse puslespil om energieffektiv teknologi.
Ironisk nok kan det være netop de ‘tunge’ atomer, der med deres store indflydelse kan gøre varmekontrollen let – og dermed bane vejen for en fremtid, hvor molekylær elektronik bliver både effektiv, bæredygtig og praktisk!
