Un equipo de científicos del Instituto Nacional Tyndall del University College Cork y la Universidad Nacional de Singapur ha diseñado y fabricado dispositivos ultrapequeños para la electrónica de bajo consumo. Al descubrir cómo se comportan las moléculas en estos dispositivos, Se obtuvo un aumento de diez veces en la eficiencia de conmutación cambiando solo un átomo de carbono. Estos dispositivos podrían proporcionar nuevas formas de combatir el sobrecalentamiento en teléfonos móviles y computadoras portátiles, y también podría ayudar en la estimulación eléctrica de la reparación de tejidos para la cicatrización de heridas. La innovadora creación de dispositivos moleculares con propiedades eléctricas altamente controlables aparecerá en la edición de febrero de Nanotecnología de la naturaleza . Dr. Damien Thompson en el Instituto Nacional Tyndall, UCC y un equipo de investigadores de la Universidad Nacional de Singapur dirigido por el profesor Chris Nijhuis diseñaron y crearon los dispositivos, que se basan en moléculas que actúan como válvulas eléctricas, o rectificadores de diodos.

El Dr. Thompson explica:"Estas moléculas son muy útiles porque permiten que la corriente fluya a través de ellas cuando se encienden y bloquean el flujo de corriente cuando se apagan. Los resultados del estudio muestran que simplemente agregar un carbón extra es suficiente para mejorar el rendimiento del dispositivo en más en un factor de diez. Estamos realizando un seguimiento de muchas ideas nuevas en función de estos resultados, y esperamos, en última instancia, crear una gama de nuevos componentes para dispositivos electrónicos ". Las simulaciones por computadora a nivel de átomo del Dr. Thompson mostraron cómo las moléculas con un número impar de átomos de carbono se mantienen más rectas que las moléculas con un número par de átomos de carbono. Esto les permite El grupo Nijhuis en Singapur formó conjuntos muy compactos de estas moléculas en superficies de electrodos metálicos y se descubrió que estaban notablemente libres de defectos. Estos dispositivos de alta calidad pueden suprimir las corrientes de fuga y, por lo tanto, funcionar de manera eficiente y confiable. El dispositivo se puede encender y apagar limpiamente basándose únicamente en la carga y la forma de las moléculas, al igual que en las nanomáquinas biológicas que regulan la fotosíntesis, división celular y crecimiento de tejidos.

El líder de Tyndall Electronic Theory Group, el profesor Jim Greer, explica:"Los dispositivos electrónicos modernos, como teléfonos y tabletas, que se fabrican hoy en día dependen de interruptores diminutos que se acercan a los tamaños moleculares. Esto ofrece nuevos desafíos para la electrónica, pero abre oportunidades interesantes para combinar propiedades moleculares ventaja. El trabajo del Dr. Thompson es una nueva y emocionante vía para explotar el diseño molecular para lograr nuevas formas de realizar el procesamiento de la información ". Una característica clave para la habilitación de la electrónica a nanoescala será la capacidad de utilizar moléculas como rectificadores e interruptores. Al demostrar el diseño racional de moléculas que rectifican la corriente con una relación ON / OFF grande y altamente reproducible, el estudio proporciona un avance clave hacia la creación de componentes de dispositivos ultrapequeños tecnológicamente viables. Cincuenta mil de las moléculas rectificadoras colgadas de un extremo a otro encajarían en el diámetro de un cabello humano. Avances en informática, La síntesis y caracterización significa que los científicos ahora pueden comprender y controlar el material a escala de átomos y moléculas.

El estudio fue financiado en el lado irlandés por un premio de Investigador Inicial de la Fundación de la Ciencia de Irlanda otorgado al Dr. Thompson. Las simulaciones por computadora se realizaron en clústeres de computación respaldados por Science Foundation Ireland en Tyndall y en el Irish Centre for High End Computing. Los experimentos y simulaciones combinados muestran por primera vez que las mejoras mínimas en la orientación y el empaquetamiento de las moléculas desencadenan cambios en las fuerzas de van der Waals que son lo suficientemente grandes como para mejorar drásticamente el rendimiento de los dispositivos electrónicos. El Dr. Thompson explica:"Estas fuerzas de van der Waals son las más débiles de todas las fuerzas intermoleculares y solo se vuelven significativas cuando se suman en áreas grandes. Por lo tanto, hasta ahora, La mayoría de las investigaciones sobre dispositivos ultrapequeños han utilizado interacciones "pi-pi" más fuertes para unir moléculas. y ha ignorado a los mucho más débiles, pero omnipresente, Interacciones de van der Waals. El presente estudio muestra cómo los efectos de van der Waals, que están presentes en todos los dispositivos imaginables a escala molecular, se puede ajustar para optimizar el rendimiento del dispositivo ".

Los dispositivos se basan en moléculas que actúan como diodos al permitir que la corriente pase a través de ellos cuando se operan en polarización directa y bloquean la corriente cuando se invierte la polarización. Los rectificadores moleculares se propusieron por primera vez en 1974, y los avances en la computación científica han permitido que el diseño a nivel molecular se utilice durante la última década para desarrollar nuevos materiales orgánicos que brinden mejores respuestas eléctricas. Sin embargo, la importancia relativa de las interacciones entre las moléculas, Se ha cuestionado la naturaleza del contacto molécula-metal y la influencia de los efectos ambientales. Esta nueva investigación demuestra que se pueden lograr mejoras dramáticas en el rendimiento del dispositivo controlando las fuerzas de van der Waals que agrupan las moléculas. Simplemente cambiando el número de átomos de carbono en uno proporciona dispositivos significativamente más estables y más reproducibles que exhiben una mejora de orden de magnitud en la relación ON / OFF. Los resultados de la investigación demuestran la viabilidad de mejorar el rendimiento de los dispositivos mediante la creación de sellos más estrechos entre las moléculas.

"El desarrollo de la electrónica a escala molecular depende en gran medida de la simulación y la computación de alto rendimiento", comentó el Prof. Greer. "El apoyo continuo a la infraestructura de investigación en Irlanda permite los avances científicos que conducen a una mejor interacción con los líderes de la industria mundial, y posiciona a Irlanda como un proveedor clave de investigación con impacto ".