Riassunto analitico
Lo scopo di questo progetto di tesi è la definizione di strategie ottimali per l’immobilizzazione di
molecole fluorurate su superfici metalliche (oro). Elettrodi così funzionalizzati possono poi
essere implementati come elettrodi di gate in transistor organici operanti in liquido (EGOT).
Immobilizzare molecole fluorurate è un processo difficoltoso per la loro natura chimico-fisica di
tipo omnifobico (cioè non si legano né a superfici idrofobiche né tantomeno a superfici
idrofiliche), per cui bisogna sfruttare un’interazione specifica per poter legare questo tipo di
molecole. Per superare il problema abbiamo pensato di sfruttare il legame alogeno, che è
un’interazione direzionale non covalente che si instaura tra un atomo di alogeno legato
covalentemente, che agisce da elettrofilo e una specie nucleofila. Per raggiungere tale obiettivo,
abbiamo funzionalizzato la superficie metallica di un elettrodo d’oro con monostrati auto-
assemblati (SAM) sfruttando le nuove caratteristiche chimico-fisiche della superficie per far
legare dei nanocristalli di CuS ricoperti di leganti fluorurati. Sono stati testati vari SAM, partendo
da strutture molecolari standard (cioè strutture già ampiamente utilizzate in letteratura), come
il Decanetiolo (DT) che forma un monostrato compatto sulla superficie di oro e il
mercaptoesanolo (MCH) che in maniera opposta forma un monostrato non molto compatto a
causa della minor lunghezza della catena alchilica. Nel corso degli esperimenti abbiamo
implementato e migliorato il ricoprimento della superficie elettrodica utilizzando SAM che
avessero come coda un gruppo funzionale perfluorurato è un esempio di molecola con queste
caratteristiche è il Perfluoro decanetiolo che è il corrispondente perfluorurato del DT. Una
molecola non commerciale utilizzata è stata lo Spider-SH che è una molecola perfluorurata dalla
struttura ramificata. Infine, sono state testate soluzioni miste di molecole (come, per esempio,
perfluoro + MCH) per migliorare l’interazione tra molecola perfluorurata e superficie
dell’elettrodo.
Successivamente, abbiamo implementato l’elettrodo d’oro funzionalizzato con SAM e
nanocristalli legati a esso come elettrodo di gate in un transistor organico. Questa architettura
permette, grazie alle caratteristiche intrinseche del transistor, il quale amplifica piccole
differenze di potenziale (all’elettrodo di gate) in grandi variazioni in corrente, di rilevare la
presenza delle molecole fluorurate sul gate.
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Abstract
Fluorinated molecules are difficult to immobilize on metallic surfaces (like Au surface), due to
the omni phobic nature of the molecules (i.e., they do not bind to hydrophobic surfaces nor to
hydrophilic surfaces), so you must use a specific interaction to be able to bind this type of
molecule. Functionalized electrodes like this can be implemented as gate electrodes in organic
transistors operating in liquid (EGOT). Here we present a project where the main point is to
determine a well-defined strategy to immobilize this kind of molecules.
To overcome the problem of the immobilization we thought to use the halogen bond. This is a
non-covalent directional interaction that is established between a covalently bonded halogen
atom, which acts as an electrophile and an electrophilic species. To achieve this, we have
functionalized the metal surface of a gold electrode with self-assembled monolayers (SAMs) by
exploiting the new chemical-physical characteristics of the surface to bind CuS nanocrystals
coated with fluorinated binders. Several SAMs have been tested, some of them are standard
molecular structures (i.e., structure widely used in literature) like Decanethiol (DT) which
manages to form a compact layer on the gold surface and mercapto hexanol (MCH) that in
opposite way forms a very thin monolayer due to a less long alkyl chain. During the experiments
we have used a SAM that owns a tail with a perfluorinated functional group, that is Perfluoro
decanethiol, the corresponding perfluorinated DT. Another non-commercial perfluorinated
molecule exploited is Spider-SH, that has a branched structure. Finally, mixed solutions of
molecules (like perfluoro + MCH) were tested to improve the interaction between the
perfluorinated molecule and the electrode surface. Afterwards we inserted the gold electrode
functionalized with SAM and nanocrystals bonded to it as a gate electrode in an organic
transistor. This design in combination with the features of the transistors, allow to amplify small
potential differences (at the gate electrode) in large variations in current, to detect the presence
of fluorinated molecules on the gate.
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