Investigadores del Instituto de Química Orgánica y Bioquímica del CAS (IOCB Praga) y colaboradores institucionales han demostrado por primera vez un efecto piezoeléctrico de una sola molécula. El estudio, publicado en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense , representa un gran avance en la comprensión del comportamiento electromecánico de moléculas individuales y proporciona un nuevo concepto del diseño de motores moleculares, sensores y generadores de electricidad a nanoescala.

El efecto piezoeléctrico surge en algunos materiales en los que se acoplan las propiedades mecánicas y eléctricas. El campo eléctrico se puede generar si se aplica una tensión mecánica (efecto piezoeléctrico directo) o, en cambio, la deformación mecánica puede surgir si se aplica el campo eléctrico (efecto piezoeléctrico inverso).

Estos efectos tienen numerosas aplicaciones prácticas en automoción, teléfono inteligente computadora, Industrias médica y militar. El efecto piezoeléctrico se emplea en teléfonos inteligentes, micrófonos, encendedores sistemas de airbag, sonares y microscopios de barrido. Sin embargo, el efecto piezoeléctrico de una sola molécula, que es esencial para los futuros dispositivos moleculares electromecánicos, hasta ahora ha permanecido esquivo.

"En estrecha colaboración con los físicos, se demostró por primera vez que se puede observar un fuerte efecto piezoeléctrico inverso en moléculas individuales del derivado heptaheliceno, que es una molécula de carbono en forma de tornillo que se asemeja a un resorte, "dijo Ivo Starý, el líder del grupo de químicos del IOCB Praga que prepara el compuesto.

El efecto fue demostrado experimentalmente por el grupo de físicos del IP CAS en moléculas individuales sobre una superficie de plata utilizando microscopía de sonda de barrido. El líder del grupo Pavel Jelínek dice:"La magnitud de la constante piezoeléctrica calculada a partir de los datos experimentales es significativamente mayor que la de los polímeros piezoeléctricos conocidos y es comparable a las magnitudes medidas en algunos materiales inorgánicos como el óxido de zinc. Además, explicamos el origen del efecto piezoeléctrico de una sola molécula empleando cálculos de mecánica cuántica ".

¿Cómo funciona el efecto piezoeléctrico inverso a nanoescala? La molécula en forma de tornillo dotada de un dipolo interno se estira o se contrae dependiendo de la fuerza y ​​polaridad del campo eléctrico externo. Surge al aplicar una polarización de voltaje entre la almohadilla de plata y la punta atómicamente afilada del microscopio de barrido que se encuentra sobre la molécula estudiada. Como el cambio en la altura de una molécula se puede controlar con la máxima precisión, es posible ver la deformación de una molécula inducida por el campo eléctrico. Tal acoplamiento del movimiento mecánico de una molécula y el cambio en el campo eléctrico, que es recíproco por teoría, representa una entrada al mundo de las moléculas haciendo trabajo mecánico, así como nanogeneradores moleculares de energía eléctrica.