通过纳米发电机获得压电场制作超薄分子整流器

31      矢量信号传递,如单向的电子转移,是许多生命系统的基本特征。自然界中各种能量之间的转化、物质的生成都与这样矢量传递的电子有着密切的联系。如在叶绿体蛋白、线粒体等生物体系中,电子转移是沿着氧化-还原反应链高效而有序地发生的。一系列氧化还原反应的结果产生了新物质、新形式能量,达到物质、能量转换的目的。为了得到电子的定向移动,多肽的a-螺旋结构受到了广泛关注,它的分子集合体被认为是可单向传递电子的有效材料。中国科学院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员所领导的课题组成功利用压电纳米发电机产生的压电势,制作了一种a-螺旋多肽薄膜厚度仅为2-3 nm的金属-多肽复合的超薄分子整流器,相关结果发表在最新一期的Small上(DOI: 10.1002/smll.201500857)。

        当前,在固体基板上排列a-螺旋多肽的各类技术中,自组装法因操作简单等优点具有显著优势。但是由于a-螺旋多肽的偶极-偶极相互作用,由传统自组装法制得的薄膜中,其电子移动是双向的,影响了整体电子移动效率。因此,王心心助理研究员及博士生江文提出了利用压电材料所产生的压电场调控a-螺旋分子偶极矩方向,制备具有单向电子导通能力的分子电子学器件的新方法。该团队首先制得压电纳米发电机,并对其施加外力产生稳定的电场,通过压电电场调控金电极与a-螺旋多肽分子间的静电相互作用,使多肽末端选择性地固定于金电极表面,实现了单分子膜中所有分子偶极矩方向一致的目的。同时,在有机多肽分子膜中络合金属钴,提高其电子导通能力,增加电子单向传递效率。经实验证明,通过压电诱导制备的a-螺旋多肽单分子膜具备稳定的单层分子结构及有效的单向电子导通能力,并能成功地将输入的交流电信号整流为直流电信号。

        此项工作利用机械能排列非对称分子,方法简便,节约能源。构筑的取向钴络合多肽单分子膜不仅可用于实现仿生、生物传感、能量转化、矢量信号传递等功能,该纳米发电机-单分子膜系统还可为未来能量转换、非线性分子电子学器件及生物传感器等提供更多的可能性。