La electrónica molecular es un campo de investigación floreciente que tiene como objetivo integrar moléculas individuales como elementos activos en dispositivos electrónicos. Obtener una imagen completa de las propiedades de transporte de carga en las uniones moleculares es el primer paso hacia la realización de la funcionalidad a nanoescala. Investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft ahora han estudiado el transporte de carga en un sistema novedoso, la unión de rotura mecánica de grafeno, que por primera vez permitió la observación experimental directa de los efectos de interferencia cuántica en el grafeno bicapa en función de los desplazamientos nanométricos. Esta nueva plataforma podría potencialmente usarse para la toma de huellas digitales electrónicas de biomoléculas, del ADN a las proteínas, lo que a su vez puede tener importantes implicaciones para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades.

Los nanogaps que separan dos electrodos están previstos como base para la próxima generación de tecnologías de detección. El objetivo es aprovechar la tunelización cuántica de electrones como principio de detección, en el que se prueba directamente la estructura electrónica de la molécula objetivo atrapada en el nanogap. Grafeno una monocapa de átomos de carbono en una red hexagonal, combina muchos de los requisitos para un material de sensor eléctrico:alta conductividad, delgadez atómica, flexibilidad, inercia química en aire y líquido, y resistencia mecánica, así como su compatibilidad con las técnicas estándar de creación de patrones litográficos.

En el Instituto Kavli de Nanociencia en Delft, un grupo de investigación está desarrollando uniones de rotura controladas mecánicamente (MCBJ) robustas basadas en grafeno, que permiten la formación de un espacio de tunelización de tamaño ajustable en la escala subnanométrica, es decir, el tamaño se puede adaptar al tamaño de la biomolécula que se va a probar.

Cuidado con la brecha

El experimento MCBJ es conceptualmente muy simple. El dispositivo consta de una estructura de pajarita de grafeno apoyada sobre un sustrato de metal flexible. El sustrato se dobla gradualmente, provocando el estiramiento del grafeno. Este puente de grafeno finalmente se rompe y se forma un espacio nanoscópico. En tono rimbombante, la conductancia de la unión se puede cambiar de forma reversible en casi seis órdenes de magnitud durante 1, 000 ciclos de apertura-cierre; es decir, actúa como un interruptor eléctrico que se puede encender y apagar mecánicamente. La impresionante estabilidad mecánica permite la recopilación de datos estadísticamente significativos, capturar varios comportamientos de las uniones a lo largo del tiempo y en diferentes entornos (por ejemplo, diferentes orientaciones de moléculas, en aire, aspiradora, líquido).

En colaboración con el grupo de teoría dirigido por el profesor Jaime Ferrer de la Universidad de Oviedo (España), los investigadores también confirmaron la interferencia de las ondas de electrones durante las mediciones en el aire a temperatura ambiente. Los hallazgos son un paso importante tanto para la física fundamental como para las futuras aplicaciones del grafeno como interruptor electromecánico o plataforma biosensora.

Toma de huellas digitales

El grafeno MCBJ es un dispositivo único que es, por un lado, un sistema modelo para estudiar el transporte cuántico a temperatura ambiente. y por otro, puede ser una poderosa herramienta de detección para sondear biomoléculas con muy alta resolución. Los investigadores están explorando actualmente el potencial de esta plataforma para la toma de huellas dactilares electrónicas de biomoléculas, incluyendo aminoácidos y péptidos cortos:el objetivo es discriminar moléculas con una ligera diferencia química según su estructura electrónica, que se puede "leer" cuando las moléculas quedan atrapadas en el nanogap. Esto proporcionaría los primeros pasos hacia la biodetección "basada en túneles" con grafeno, una visión convincente en los Departamentos de Quantum y Bionanocience en TU Delft.

La investigación fue financiada en parte por Graphene Flagship.