Un equipo internacional dirigido por investigadores del SLAC National Accelerator Laboratory y la Universidad de Stanford unió dos moléculas de carbono poco convencionales:diamondoides, las jaulas cuadradas de la izquierda, y buckyballs, las formas del balón de fútbol a la derecha, para crear "buckydiamondoids, "centro. Estas moléculas híbridas funcionan como rectificadores, conduciendo electrones en una sola dirección, y podría ayudar a allanar el camino hacia los dispositivos electrónicos moleculares. Crédito:Laboratorio Manoharan / Universidad de Stanford
Los científicos han casado dos formas no convencionales de carbono:una con forma de balón de fútbol, el otro, un diamante diminuto, para hacer una molécula que conduzca la electricidad en una sola dirección. Este pequeño componente electrónico, conocido como rectificador, podría desempeñar un papel clave en la reducción de los componentes del chip al tamaño de las moléculas para permitir una mayor rapidez, dispositivos más potentes.
"Queríamos ver qué novedades, propiedades emergentes pueden surgir cuando se combinan estos dos ingredientes para crear un 'buckydiamondoid, '", dijo Hari Manoharan del Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía (SIMES) en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía." Lo que obtuvimos fue básicamente una válvula unidireccional para conducir electricidad, claramente más que la suma de sus partes."
El equipo de investigación que incluía a científicos de la Universidad de Stanford, Bélgica, Alemania y Ucrania, informó sus resultados el 9 de septiembre, 2014 en Comunicaciones de la naturaleza .
Dos personajes de carbono poco convencionales se encuentran
Muchos circuitos electrónicos tienen tres componentes básicos:un material que conduce electrones; rectificadores, que comúnmente toman la forma de diodos, para dirigir ese flujo en una sola dirección; y transistores para encender y apagar el flujo. Los científicos combinaron dos ingredientes poco convencionales, buckyballs y diamondoids, para crear el nuevo componente similar a un diodo.
Las buckybolas, abreviatura de buckminsterfullerenos, son esferas huecas de carbono cuyo descubrimiento en 1985 le valió a tres científicos un premio Nobel de química. Las diamondoides son pequeñas jaulas de carbono unidas entre sí como en diamantes, pero con un peso inferior a una mil millonésima parte de un quilate. Ambos son objeto de una gran cantidad de investigaciones encaminadas a comprender sus propiedades y encontrar formas de utilizarlas.
En 2007, un equipo dirigido por investigadores de SLAC y Stanford descubrió que una sola capa de diamondoides en una superficie metálica puede emitir de manera eficiente un haz de electrones. Manoharan y sus colegas se preguntaron:¿Qué pasaría si emparejaran un diamondoide emisor de electrones con otra molécula a la que le gusta agarrar electrones? Las buckybolas son ese tipo de molécula captadora de electrones.
Una imagen obtenida con un microscopio de efecto túnel muestra moléculas híbridas buckydiamondoid sobre una superficie de oro. El extremo buckyball de cada molécula está unido a la superficie, con el extremo diamondoide hacia arriba; ambos son claramente visibles. El área que se muestra aquí es de 5 nanómetros de lado. Crédito:H. Manoharan et al., Comunicaciones de la naturaleza
Una válvula muy pequeña para canalizar el flujo de electrones
Para este estudio, Los diamondoides se produjeron en el laboratorio SLAC de los investigadores del SIMES Jeremy Dahl y Robert Carlson, que son expertos mundiales en la extracción de pequeños diamantes del petróleo. Luego fueron enviados a Alemania, donde los químicos de la Universidad Justus-Liebig descubrieron cómo unirlos a buckyballs.
Los buckydiamondoids resultantes, que tienen solo unos pocos nanómetros de largo, fueron probados en los laboratorios SIMES en Stanford. Un equipo dirigido por el estudiante graduado Jason Randel y el investigador postdoctoral Francis Niestemski utilizó un microscopio de efecto túnel para hacer imágenes de las moléculas híbridas y medir su comportamiento electrónico. Descubrieron que el híbrido es un rectificador excelente:la corriente eléctrica que fluye a través de la molécula era hasta 50 veces más fuerte en una dirección, de diamondoide que escupe electrones a buckyball que atrapa electrones, que en la dirección opuesta. Esto es algo que ninguno de los componentes puede hacer por sí solo.
Esta es una ilustración de una molécula buckydiamondoide bajo un microscopio de efecto túnel (STM). La punta metálica afilada del STM termina en un solo átomo; mientras escanea una muestra, los electrones hacen un túnel desde la punta hasta la muestra. En este estudio, el STM tomó imágenes de los buckydiamondoids y probó sus propiedades electrónicas. Crédito:Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC
Si bien este no es el primer rectificador molecular jamás inventado, es el primero hecho solo de carbono e hidrógeno, una simplicidad que los investigadores encuentran atractiva, dijo Manoharan, quien es profesor asociado de física en Stanford. El siguiente paso, él dijo, es ver si los transistores se pueden construir con los mismos ingredientes básicos.
"Las buckybolas son fáciles de hacer, se pueden aislar del hollín, y el tipo de diamondoide que usamos aquí, que consta de dos pequeñas jaulas, se puede comprar comercialmente, ", dijo." Y ahora que nuestros colegas en Alemania han descubierto cómo unirlos, otros pueden seguir la receta. Entonces, si bien nuestra investigación tenía como objetivo obtener conocimientos fundamentales sobre una nueva molécula híbrida, podría conducir a avances que ayuden a hacer realidad la electrónica molecular ".
