Vi har sammen med forskningsgrupper i Grækenland, Israel, Skotland og USA lavet tynde film af en hel række enkeltmolekyler som lattergas, kulilte eller methylformiat i et forsøg på at klarlægge deres elektriske egenskaber. Bemærkelsesværdigt nok har vi opdaget, at disse film spontant genererer enorme elektriske felter, som vi kan måle – for eksempel ved at detektere spændinger på deres overflader. Vi kalder dette fænomen for den spontelektriske effekt og film med denne egenskab for spontelektriske film. Faktisk blev den spontane dannelse af store elektriske felter i tynde film af molekyler først opdaget af Kutzner i 1972. Men da denne opdagelse meget sjældent er nævnt i nogen efterfølgende publikationer, og vi ikke kendte til denne halvtreds år gamle publikation, genopdagede vi strengt taget den spontelektriske effekt i 2009.

Filmene danner vi ved at kondensere en gas på en kold, fast overflade – ligesom på din bilrude, men meget koldere – ned til -253 °C. Filmene dannes langsomt: De vokser med omkring 1 nanometer per sekund, hvilket omtrent er samme hastighed, som dine fingernegle vokser. Den færdige film har en typisk tykkelse fra 50 nm op til 150 nm.

Det elektriske felt opstår, fordi molekylerne i filmen er dipoler. Faktisk er de fleste molekyler dipoler, idet de har en tendens til at være mere positive i den ene ende og mere negativ i den anden ende. Vi har opdaget, at disse dipoler orienterer sig spontant, så den tynde film bliver let positiv eller negativ på den ene side i forhold til den anden side. Det skaber en elektrisk spænding på filmens overflade og et stort elektrisk felt inde i filmen. Da det elektriske felt er spænding divideret med tykkelse, og filmen er meget tynd, betyder det, at få volt på filmoverfladen giver enorme felter inde i filmen – op til mere end 100 millioner volt per meter!

Vi har målt den spontelektriske effekt på overfladen af film af methylformiat ved hjælp af lyskilden ASTRID på Aarhus Universitet. Kigger vi på lavtemperaturregimet først, har vi målt overfladepotentialet på film aflejret ved, for eksempel, -233 °C, og vi observerede, at det henfalder fra -4 volt til -3,5 volt på 4000 sekunder. Når vi analysere den spontelektriske effekt fortæller det os, at dette henfald betyder, at molekylerne har mistet noget af deres tendens til at være orienteret i samme retning, men kun gennemsnitlig med mindre end én grad. Dette tab opstår ved, at molekylerne roterer og vibrerer, men de forbliver på samme punkt i det faste stof. I filmen sidder molekylerne i et energiminimum, og deres rotation er begrænset af væggene i dette minimum. Det kan sammenlignes med en skateboarder der er begrænset af formen på den overflade, han eller hun bevæger sig på. Formen af energiminimum kan bestemmes ved hjælp af en matematisk model for spontelektriske film.

Vi har beregnet, at molekyler skal rotere omkring 50 grader for at forårsage en varig strukturel ændring i materialet. Modellen viser, at kun så store udsving kan overvinde barrieren for henfald, som barrieren måles gennem det tidsmæssige henfald af den spontelektriske overfladespænding. Så årsagen til strukturelle ændringer i materialet ved lav temperatur kan udelukkende tilskrives rotationsudsving på omkring 50 grader. Sådanne udsving sker ikke ofte: Barriererne for rotation er sådan, at kun omkring én ud af 10¹⁴ til 10¹⁵ rotationer kan opnå så stort et vinkeludsving.

Vi vil nu vende blikket mod, hvad der sker i den tynde film af methyformiat ved højere temperaturer, det vil sige temperaturer over -190 °C. Her afslører neutronspredningsdata, at der i modsætning til ved lavtemperaturregimet, finder diffusion sted i materialet. Molekyler begynder nu at bevæge sig i forhold til hinanden, men i sneglefart på omkring en tyvendedel af en nanometer i timen. Men når molekylerne diffunderer, kan de også rotere, og efter et par timer ender vi med en film uden noget som helst spontelektriske felt. Molekylerne har mistet al orientering.