Los investigadores han demostrado un nuevo material para interruptores electrónicos de una sola molécula, que puede variar de manera efectiva la corriente a nanoescala en respuesta a estímulos externos. El material para este interruptor molecular tiene una estructura única creada al bloquear un esqueleto molecular lineal en una estructura tipo escalera. Un nuevo estudio encuentra que la estructura molecular de tipo escalera mejora en gran medida la estabilidad del material, lo que lo hace muy prometedor para su uso en aplicaciones electrónicas de una sola molécula.
El estudio, publicado en la revista Chem, muestra que la molécula tipo escalera sirve como un interruptor molecular robusto y reversible en una amplia gama de niveles de conductividad y diferentes estados moleculares.
« Nuestro trabajo proporciona un importante paso adelante hacia el desarrollo de dispositivos electrónicos moleculares funcionales », dice Charles Schroeder, profesor de James Economy de ciencia e ingeniería de materiales y profesor de ingeniería química y biomolecular en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign.
Para mejorar la estabilidad química y mecánica de la molécula, el equipo utilizó nuevas estrategias en síntesis química para bloquear la columna vertebral molecular y evitar que la molécula gire, como convertir una escalera de cuerda en algo más estable como metal o madera.
« Imagine un interruptor de luz que encendemos y apagamos todos los días, pero en lugar de accionar un interruptor real, agregamos estímulos químicos o electroquímicos para encender y apagar la señal eléctrica del material », dice el autor principal y ex estudiante graduado Jialing ( Carolina) Li. En comparación con los materiales inorgánicos a granel, las moléculas individuales orgánicas se pueden convertir en componentes eléctricos básicos, como cables y transistores, y ayudarán a lograr el objetivo final de reducir los circuitos eléctricos.
Los dispositivos electrónicos de una sola molécula se construyen como uniones con un puente de una sola molécula que generalmente está anclado a dos grupos de terminales conectados a electrodos metálicos. Estos dispositivos se pueden programar mediante el uso de un elemento sensible a estímulos en el puente que se puede encender y apagar mediante el uso de una serie de estímulos como pH, campos ópticos, campos eléctricos, campos magnéticos, fuerzas mecánicas y control electroquímico.
« El cambio de escala molecular ha sido un tema muy popular en los estudios de la electrónica de una sola molécula », explica Li. « Pero realizar un interruptor de múltiples estados a escala molecular es un desafío porque necesitamos un material que sea conductor y tenga varios estados de carga molecular diferentes, y requerimos que el material sea muy estable para que pueda encenderse y apagarse durante muchos ciclos ».. »
Aunque Li exploró muchos otros materiales orgánicos, el inconveniente de esos materiales era que no eran estables en condiciones ambientales y podían descomponerse fácilmente cuando se exponían al oxígeno. Después de buscar el material ideal durante mucho tiempo, Li encontró oro cuando se topó con un material de un grupo de investigación de la Universidad Texas A&M (colaboradores de este proyecto) e inmediatamente lo identificó como ideal para sus propósitos.
La modificación de la estructura mediante el bloqueo de la columna vertebral de la molécula evita la hidrólisis, la descomposición química debido a la reacción con el agua y otras reacciones de degradación, y facilita la caracterización del material, ya que no puede girar ni cambiar de forma. Esta forma coplanar rígida mejora las propiedades electrónicas de la molécula, facilitando el flujo de electrones a través del material. La estructura tipo escalera permite estados de carga molecular estables cuando se aplican estímulos externos que dan lugar a niveles significativamente diferentes de conductividad, lo que hace posible la conmutación de múltiples estados.
Este material cumple con casi todos los requisitos necesarios para servir en dispositivos electrónicos de una sola molécula : es estable en condiciones ambientales, se puede encender y apagar muchas veces, es conductor (aunque no tanto como el metal) y tiene diferentes estados moleculares accesibles. para ser utilizado
« Los investigadores han estado luchando para minimizar el tamaño del transistor para que quepan tantos como sea posible en chips para semiconductores, generalmente utilizando materiales inorgánicos como el silicio », dice Li. « Una forma alternativa de hacerlo es usar materiales orgánicos como un material de una sola molécula para conducir los electrones y reemplazar las contrapartes inorgánicas ». La estructura tipo escalera utilizada en esta investigación promete ser utilizada como material funcional para transistores de una sola molécula.
Por ahora, solo se usa una unidad de la molécula para la electrónica de una sola molécula, pero es posible extender la longitud para incluir muchas unidades repetitivas para hacer un cable molecular más largo. El equipo cree que el material seguirá siendo altamente conductivo, incluso en una distancia más larga.