Pequeños circuitos electrónicos alimentan nuestra vida diaria, desde las diminutas cámaras de nuestros teléfonos hasta los microprocesadores de nuestras computadoras. Para hacer esos dispositivos aún más pequeños, Los científicos e ingenieros están diseñando componentes de circuitos a partir de moléculas individuales. Los circuitos miniaturizados no solo pueden ofrecer los beneficios de una mayor densidad de dispositivos, velocidad, y la eficiencia energética, por ejemplo, en la electrónica flexible o en el almacenamiento de datos, pero aprovechar las propiedades físicas de moléculas específicas podría conducir a dispositivos con funcionalidades únicas. Sin embargo, El desarrollo de dispositivos nanoelectrónicos prácticos a partir de moléculas individuales requiere un control preciso sobre el comportamiento electrónico de esas moléculas. y un método confiable para fabricarlos.

Ahora, como se informa en la revista Electrónica de la naturaleza , Los investigadores han desarrollado un método para fabricar una matriz unidimensional de moléculas individuales y para controlar con precisión su estructura electrónica. Al ajustar cuidadosamente el voltaje aplicado a una cadena de moléculas incrustadas en una capa de carbono unidimensional (grafeno), el equipo dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) descubrió que podían controlar si todos, ninguno, o algunas de las moléculas tienen carga eléctrica. El patrón de carga resultante podría luego desplazarse a lo largo de la cadena manipulando moléculas individuales al final de la cadena.

"Si vas a construir dispositivos eléctricos a partir de moléculas individuales, necesita moléculas que tengan una funcionalidad útil y necesita descubrir cómo organizarlas en un patrón útil. Hicimos ambas cosas en este trabajo, "dijo Michael Crommie, un científico de la facultad senior en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab, quien lideró el proyecto. La investigación es parte de un programa financiado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) sobre Caracterización de Nanomáquinas Funcionales, cuyo objetivo principal es comprender las propiedades eléctricas y mecánicas de las nanoestructuras moleculares, y crear nuevas nanomáquinas basadas en moléculas capaces de convertir energía de una forma a otra a nanoescala.

El rasgo clave de la molécula rica en flúor seleccionada por el equipo de Berkeley Lab es su fuerte tendencia a aceptar electrones. Para controlar las propiedades electrónicas de una cadena alineada con precisión de 15 moléculas de este tipo depositadas sobre un sustrato de grafeno, Crommie, quien también es profesor de física de UC Berkeley, y sus colegas colocaron un electrodo metálico debajo del grafeno que también estaba separado de él por una fina capa aislante. Al aplicar un voltaje entre las moléculas y el electrodo, los electrones entran o salen de las moléculas. De ese modo, las moléculas soportadas por grafeno se comportan como un condensador, un componente eléctrico utilizado en un circuito para almacenar y liberar carga. Pero, a diferencia de un condensador macroscópico "normal", Al ajustar el voltaje en el electrodo inferior, los investigadores pudieron controlar qué moléculas se cargaron y cuáles permanecieron neutrales.

En estudios previos de ensamblajes moleculares, Las propiedades electrónicas de las moléculas no se pudieron sintonizar ni captar imágenes a escalas de longitud atómica. Sin la capacidad de formación de imágenes adicional, la relación entre estructura y función no puede entenderse completamente en el contexto de los dispositivos eléctricos. Al colocar las moléculas en una plantilla especialmente diseñada en el sustrato de grafeno desarrollado en la instalación de usuarios científicos de nanoescala Molecular Foundry de Berkeley Lab, Crommie y sus colegas se aseguraron de que las moléculas fueran completamente accesibles tanto para la observación microscópica como para la manipulación eléctrica.

Como se esperaba, la aplicación de un fuerte voltaje positivo al electrodo metálico debajo del grafeno que soporta las moléculas las llenó de electrones, dejando toda la matriz molecular en un estado cargado negativamente. Eliminar o invertir ese voltaje hizo que todos los electrones agregados abandonaran las moléculas, devolviendo toda la matriz a un estado de carga neutral. A un voltaje intermedio, sin embargo, los electrones llenan solo todas las demás moléculas de la matriz, creando así un patrón de carga de "tablero de ajedrez". Crommie y su equipo explican este comportamiento novedoso por el hecho de que los electrones se repelen entre sí. Si dos moléculas cargadas ocuparan momentáneamente sitios adyacentes, entonces su repulsión alejaría a uno de los electrones y lo obligaría a asentarse en un sitio más abajo en la fila molecular.

"Podemos hacer que todas las moléculas se vacíen de carga, o todo lleno, o alternando. A eso lo llamamos un patrón de carga colectiva porque está determinado por la repulsión electrón-electrón en toda la estructura, "dijo Crommie.

Los cálculos sugirieron que en una matriz de moléculas con cargas alternas, la molécula terminal en la matriz siempre debería contener un electrón extra, ya que esa molécula no tiene un segundo vecino que cause repulsión. Para investigar experimentalmente este tipo de comportamiento, el equipo del laboratorio de Berkeley eliminó la molécula final en una serie de moléculas que tenían cargas alternas. Descubrieron que el patrón de carga original se había desplazado en una molécula:los sitios que se habían cargado se volvían neutrales y viceversa. Los investigadores concluyeron que antes de que se eliminara la molécula terminal cargada, la molécula adyacente debe haber sido neutra. En su nueva posición al final de la matriz, la que antes era la segunda molécula se cargó. Para mantener el patrón alterno entre moléculas cargadas y no cargadas, todo el patrón de carga tuvo que cambiar en una molécula.

Si la carga de cada molécula se considera un poco de información, luego, al eliminar la molécula final, todo el patrón de información se desplaza en una posición. Ese comportamiento imita un registro de desplazamiento electrónico en un circuito digital y proporciona nuevas posibilidades para transmitir información de una región de un dispositivo molecular a otra. Mover una molécula en un extremo de la matriz podría servir para encender o apagar un interruptor en algún otro lugar del dispositivo, proporcionando una funcionalidad útil para un circuito lógico futuro.

"Una cosa que nos pareció realmente interesante de este resultado es que pudimos alterar la carga electrónica y, por lo tanto, las propiedades de las moléculas desde muy lejos. Ese nivel de control es algo nuevo, "dijo Crommie.

Con su matriz molecular, los investigadores lograron el objetivo de crear una estructura que tenga una funcionalidad muy específica; es decir, una estructura cuyas cargas moleculares pueden ajustarse finamente entre diferentes estados posibles aplicando un voltaje. Cambiar la carga de las moléculas provoca un cambio en su comportamiento electrónico y, como resultado, en la funcionalidad de todo el dispositivo. Este trabajo surgió de un esfuerzo del DOE para construir nanoestructuras moleculares precisas que tengan una funcionalidad electromecánica bien definida.

La técnica del equipo de Berkeley Lab para controlar los patrones de carga molecular podría conducir a nuevos diseños para componentes electrónicos a nanoescala, incluidos transistores y puertas lógicas. La técnica también podría generalizarse a otros materiales e incorporarse en redes moleculares más complejas. Una posibilidad es ajustar las moléculas para crear patrones de carga más complejos. Por ejemplo, reemplazar un átomo por otro en una molécula puede cambiar las propiedades de la molécula. Colocar tales moléculas alteradas en la matriz podría crear una nueva funcionalidad. Con base en estos resultados, los investigadores planean explorar la funcionalidad que surge de las nuevas variaciones dentro de las matrices moleculares, así como también cómo se pueden utilizar potencialmente como pequeños componentes de circuito. Por último, planean incorporar estas estructuras en dispositivos a nanoescala más prácticos.