A medida que nuestros dispositivos se vuelven cada vez más pequeños, el uso de moléculas como componentes principales en los circuitos electrónicos se vuelve cada vez más crítico. Durante los últimos 10 años, los investigadores han estado tratando de utilizar moléculas individuales como cables conductores debido a su pequeña escala, características electrónicas distintas y alta capacidad de sintonización. Pero en la mayoría de los cables moleculares, a medida que aumenta la longitud del cable, la eficiencia con la que se transmiten los electrones a través del cable disminuye exponencialmente. Esta limitación ha hecho que sea especialmente desafiante construir un cable molecular largo, uno que sea mucho más largo que un nanómetro, que en realidad conduzca bien la electricidad.

Investigadores de Columbia anunciaron hoy que han construido un nanocable que tiene una longitud de 2,6 nanómetros, muestra un aumento inusual en la conductancia a medida que aumenta la longitud del cable y tiene propiedades casi metálicas. Su excelente conductividad es muy prometedora para el campo de la electrónica molecular, ya que permite que los dispositivos electrónicos sean aún más pequeños. El estudio se publica hoy en Nature Chemistry .

Diseños de cables moleculares

El equipo de investigadores de Columbia Engineering y el departamento de química de Columbia, junto con teóricos de Alemania y químicos sintéticos en China, exploraron diseños de cables moleculares que soportarían electrones desapareados en cada extremo, ya que dichos cables formarían análogos unidimensionales de aisladores topológicos ( TI) que son altamente conductores por sus bordes pero aislantes en el centro.

Si bien el 1D TI más simple está hecho solo de átomos de carbono donde los carbonos terminales soportan los estados radicales (electrones no apareados), estas moléculas son generalmente muy inestables. Al carbono no le gusta tener electrones desapareados. Reemplazar los carbonos terminales, donde están los radicales, con nitrógeno aumenta la estabilidad de las moléculas. "Esto hace que los TI 1D hechos con cadenas de carbono pero terminados con nitrógeno sean mucho más estables y podemos trabajar con ellos a temperatura ambiente en condiciones ambientales", dijo el codirector del equipo, Latha Venkataraman, profesor Lawrence Gussman de Física Aplicada y profesor de química.

Rompiendo la regla del decaimiento exponencial

A través de una combinación de diseño químico y experimentos, el grupo creó una serie de TI unidimensionales y rompió con éxito la regla del decaimiento exponencial, una fórmula para el proceso de disminución de una cantidad a una tasa proporcional a su valor actual. Usando los dos estados de borde radical, los investigadores generaron una vía altamente conductora a través de las moléculas y lograron una "decadencia de conductancia inversa", es decir, un sistema que muestra una conductancia creciente con una longitud de cable creciente.

"Lo que es realmente emocionante es que nuestro cable tenía una conductancia en la misma escala que la de los contactos de un punto de metal de oro, lo que sugiere que la molécula en sí muestra propiedades cuasi-metálicas", dijo Venkataraman. "Este trabajo demuestra que las moléculas orgánicas pueden comportarse como metales en el nivel de una sola molécula, en contraste con lo que se había hecho en el pasado, donde principalmente eran débilmente conductoras".

Los investigadores diseñaron y sintetizaron una serie molecular de bis(triarilaminas), que exhibía propiedades de un TI unidimensional por oxidación química. Hicieron mediciones de conductancia de uniones de una sola molécula donde las moléculas estaban conectadas tanto a la fuente como a los electrodos de drenaje. A través de las mediciones, el equipo demostró que las moléculas más largas tenían una conductancia más alta, lo que funcionó hasta que el cable fue más largo que 2,5 nanómetros, el diámetro de una hebra de ADN humano.

Sentar las bases para más avances tecnológicos en electrónica molecular

"El laboratorio de Venkataraman siempre busca comprender la interacción de la física, la química y la ingeniería de los dispositivos electrónicos de una sola molécula", agregó Liang Li, Ph.D. estudiante en el laboratorio y coautor del artículo. "Así que la creación de estos cables en particular sentará las bases para importantes avances científicos en la comprensión del transporte a través de estos nuevos sistemas. Estamos muy entusiasmados con nuestros hallazgos porque arrojan luz no solo sobre la física fundamental, sino también sobre posibles aplicaciones en el futuro".

Actualmente, el grupo está desarrollando nuevos diseños para construir cables moleculares que sean aún más largos y altamente conductivos. + Explora más

Nuevos cables moleculares para dispositivos electrónicos de una sola molécula