Se han utilizado moléculas individuales para crear componentes eléctricos como resistencias, transistores y diodos, que imitan las propiedades de semiconductores familiares. Pero según Nongjian (NJ) Tao, investigador del Biodesign Institute® de la Universidad Estatal de Arizona, Las propiedades únicas inherentes a las moléculas individuales también pueden permitir a los diseñadores inteligentes producir dispositivos novedosos cuyo comportamiento está fuera del rendimiento observado en la electrónica convencional.

En la investigación que aparece en el número de hoy de Nanotecnología de la naturaleza , Tao describe un método para controlar mecánicamente la geometría de una sola molécula, situado en una unión entre un par de electrodos de oro que forman un circuito simple. Las manipulaciones produjeron un aumento de la conductividad en más de diez veces.

Lo inusual A menudo, las características no intuitivas de moléculas individuales pueden eventualmente introducirse en una amplia gama de microelectrónica, adecuado para aplicaciones que incluyen detección biológica y química; dispositivos electrónicos y mecánicos.

Las manipulaciones moleculares delicadas que requieren paciencia y delicadeza son rutinarias para Tao, cuya investigación en el Centro de Bioelectrónica y Biosensores de Biodesign ha incluido trabajos sobre diodos moleculares, comportamiento del grafeno y técnicas de imagen molecular. Sin embargo, se sorprendió del resultado descrito en el artículo actual:"Si tienes una molécula unida a los electrodos, se puede estirar como una goma elástica, ", dice." Si se alarga, la mayoría de la gente tiende a pensar que la conductividad disminuirá. Un cable más largo es menos conductor que uno más corto ".

En efecto, La disminución de la conductividad a través de una molécula se observa comúnmente cuando la distancia entre los electrodos unidos a su superficie aumenta y la molécula se alarga. Pero según Tao, si estiras la molécula lo suficiente, sucede algo inesperado:la conductancia aumenta, en una cantidad enorme. "Vemos una conductividad al menos 10 veces mayor, simplemente tirando de la molécula ".

Como explica Tao, el resultado intrigante es un subproducto de las leyes de la mecánica cuántica, que dictan el comportamiento de la materia en las escalas más pequeñas:"La conductividad de una sola molécula no es simplemente inversamente proporcional a la longitud. Depende de la alineación del nivel de energía".

En los cables metálicos de los electrodos, los electrones pueden moverse libremente pero cuando llegan a una interfaz, en este caso, una molécula que se encuentra en la unión entre los electrodos; tienen que superar una barrera de energía. La altura de esta barrera de energía es fundamental para determinar la rapidez con la que los electrones pueden atravesar la molécula. Al aplicar una fuerza mecánica a la molécula, se baja la barrera, mejorando la conductancia.

"Teóricamente, la gente ha pensado en esto como una posibilidad, pero esta es una demostración de que realmente sucede, "Dice Tao." Si estira la molécula y aumenta geométricamente la longitud, baja enérgicamente la barrera para que los electrones puedan atravesarla fácilmente. Si piensas en términos ópticos, se vuelve más transparente para los electrones ".

La razón de esto tiene que ver con una propiedad conocida como tunelización resonante inducida por la fuerza. Esto ocurre cuando la energía molecular se acerca al nivel de Fermi de los electrodos, es decir, hacia la región de conductancia óptima. (Ver figura 1) Por lo tanto, a medida que se estira la molécula, provoca una disminución en la barrera de energía del túnel.

Para los experimentos, El grupo de Tao usó 1, 4'-bencenoditiol, la entidad más estudiada para la electrónica molecular. Otros experimentos demostraron que el transporte de electrones a través de la molécula sufrió una disminución correspondiente a medida que se redujo la distancia entre los electrodos. haciendo que la geometría de la molécula cambie de una condición estirada a un estado relajado o comprimido. "Tenemos que hacer esto miles de veces para asegurarnos de que el efecto sea robusto y reproducible".

Además de la importancia práctica del descubrimiento, los nuevos datos muestran una estrecha concordancia con los modelos teóricos de conductancia molecular, que a menudo ha estado en desacuerdo con los valores experimentales, por órdenes de magnitud.

Tao enfatiza que las moléculas individuales son candidatos convincentes para nuevos tipos de dispositivos electrónicos, precisamente porque pueden presentar propiedades muy diferentes a las observadas en los semiconductores convencionales.

Los sistemas microelectromecánicos o MEMS son solo un dominio en el que es probable que dejen su huella las propiedades versátiles de moléculas individuales. Estas diminutas creaciones representan una industria de $ 40 mil millones al año e incluyen innovaciones como interruptores ópticos, giroscopios para coches, aplicaciones biomédicas de laboratorio en chip y microelectrónica para dispositivos móviles.

"En el futuro, cuando la gente diseña dispositivos usando moléculas, tendrán una nueva caja de herramientas que pueden usar ".