Cuando los dispositivos eléctricos se reducen a una escala molecular, tanto las propiedades eléctricas como mecánicas de una molécula dada se vuelven críticas. Pueden explotarse propiedades específicas, dependiendo de las necesidades de la aplicación. Aquí, una sola molécula está unida en cada extremo a un par de electrodos de oro, formando un circuito eléctrico, cuya corriente se puede medir.
(PhysOrg.com) - En una investigación que aparece en la edición de hoy de la revista Nanotecnología de la naturaleza , Nongjian "NJ" Tao, investigador del Instituto de Biodiseño de la Universidad Estatal de Arizona, ha demostrado una forma inteligente de controlar la conductancia eléctrica de una sola molécula, explotando las propiedades mecánicas de la molécula.
Tal control puede eventualmente jugar un papel en el diseño de aparatos eléctricos ultra-diminutos, creado para realizar innumerables tareas útiles, desde la detección biológica y química hasta la mejora de las telecomunicaciones y la memoria de la computadora.
Tao lidera un equipo de investigación acostumbrado a lidiar con los desafíos que conlleva la creación de dispositivos eléctricos de este tamaño, donde los efectos extravagantes del mundo cuántico a menudo dominan el comportamiento de los dispositivos. Como explica Tao, Uno de esos problemas es definir y controlar la conductancia eléctrica de una sola molécula, unido a un par de electrodos de oro.
”Algunas moléculas tienen propiedades electromecánicas inusuales, que son diferentes a los materiales a base de silicio. Una molécula también puede reconocer otras moléculas a través de interacciones específicas ”. Estas propiedades únicas pueden ofrecer una enorme flexibilidad funcional a los diseñadores de dispositivos a nanoescala.
En la investigación actual, Tao examina las propiedades electromecánicas de moléculas individuales intercaladas entre electrodos conductores. Cuando se aplica un voltaje, se puede medir un flujo de corriente resultante. Un tipo particular de molécula, conocido como pentafenileno, se utilizó y se examinó su conductancia eléctrica.
El grupo de Tao pudo variar la conductancia hasta en un orden de magnitud, simplemente cambiando la orientación de la molécula con respecto a las superficies de los electrodos. Específicamente, se modificó el ángulo de inclinación de la molécula, con la conductancia aumentando a medida que disminuía la distancia que separa los electrodos, y alcanzar un máximo cuando la molécula se colocó entre los electrodos a 90 grados.
La razón de la dramática fluctuación en la conductancia tiene que ver con los llamados orbitales pi de los electrones que forman las moléculas, y su interacción con los orbitales de electrones en los electrodos adjuntos. Como señala Tao, Los orbitales pi pueden considerarse como nubes de electrones, que sobresale perpendicularmente de cualquier lado del plano de la molécula. Cuando se altera el ángulo de inclinación de una molécula atrapada entre dos electrodos, estos orbitales pi pueden entrar en contacto y mezclarse con los orbitales de electrones contenidos en el electrodo de oro, un proceso conocido como acoplamiento lateral. Este acoplamiento lateral de orbitales tiene el efecto de incrementar la conductancia.
Se muestran los átomos de una molécula (gris), con sus orbitales pi acompañantes (rojo). A medida que se reduce la distancia entre electrodos, los orbitales pi pueden interactuar con los orbitales de electrones contenidos en los electrodos de oro, un proceso conocido como acoplamiento lateral. Este efecto aumenta la conductancia eléctrica a través de la molécula.
En el caso de la molécula de pentafenileno, el efecto de acoplamiento lateral fue pronunciado, con niveles de conductancia aumentando hasta 10 veces a medida que el acoplamiento lateral de los orbitales entraba en juego. A diferencia de, la molécula de tetrafenilo utilizada como control para los experimentos no mostró acoplamiento lateral y los valores de conductancia permanecieron constantes, independientemente del ángulo de inclinación aplicado a la molécula. Tao dice que las moléculas ahora pueden diseñarse para explotar o minimizar los efectos de acoplamiento lateral de los orbitales, permitiendo así el ajuste fino de las propiedades de conductancia, según los requisitos específicos de una aplicación.
Se llevó a cabo una autocomprobación adicional de los resultados de conductancia utilizando un método de modulación. Aquí, la posición de la molécula se movió en 3 direcciones espaciales y se observaron los valores de conductancia. Solo cuando estas rápidas perturbaciones cambiaron específicamente el ángulo de inclinación de la molécula en relación con el electrodo, se alteraron los valores de conductancia, lo que indica que el acoplamiento lateral de los orbitales de electrones fue de hecho responsable del efecto. Tao también sugiere que esta técnica de modulación puede aplicarse ampliamente como un nuevo método para evaluar los cambios de conductancia en sistemas a escala molecular.
