(PhysOrg.com) -- In onderzoek dat in de huidige uitgave van het tijdschrift verschijnt Natuur Nanotechnologie , Nongjian "NJ" Tao, een onderzoeker aan het Biodesign Institute van de Arizona State University, heeft een slimme manier aangetoond om de elektrische geleiding van een enkel molecuul te regelen, door gebruik te maken van de mechanische eigenschappen van het molecuul.

Een dergelijke controle kan uiteindelijk een rol spelen bij het ontwerpen van ultrakleine elektrische gadgets, gemaakt om talloze nuttige taken uit te voeren, van biologische en chemische detectie tot het verbeteren van telecommunicatie en computergeheugen.

Tao leidt een onderzoeksteam dat gewend is om te gaan met de uitdagingen die gepaard gaan met het maken van elektrische apparaten van deze omvang, waar eigenzinnige effecten van de kwantumwereld vaak het gedrag van apparaten domineren. Zoals Tao uitlegt, een zo'n probleem is het definiëren en regelen van de elektrische geleiding van een enkel molecuul, bevestigd aan een paar gouden elektroden.

”Sommige moleculen hebben ongebruikelijke elektromechanische eigenschappen, die anders zijn dan materialen op siliconenbasis. Een molecuul kan ook andere moleculen herkennen via specifieke interacties.” Deze unieke eigenschappen kunnen ontwerpers van apparaten op nanoschaal een enorme functionele flexibiliteit bieden.

In het huidige onderzoek is Tao onderzoekt de elektromechanische eigenschappen van afzonderlijke moleculen die zijn ingeklemd tussen geleidende elektroden. Wanneer er een spanning wordt aangelegd, een resulterende stroomstroom kan worden gemeten. Een bepaald type molecuul, bekend als pentafenyleen, werd gebruikt en de elektrische geleiding werd onderzocht.

Tao's groep was in staat om de geleiding met een orde van grootte te variëren, eenvoudig door de oriëntatie van het molecuul ten opzichte van de elektrode-oppervlakken te veranderen. specifiek, de kantelhoek van het molecuul is veranderd, met een stijgende geleiding naarmate de afstand tussen de elektroden kleiner werd, en het bereiken van een maximum wanneer het molecuul in evenwicht was tussen de elektroden op 90 graden.

De reden voor de dramatische fluctuatie in geleiding heeft te maken met de zogenaamde pi-orbitalen van de elektronen waaruit de moleculen bestaan, en hun interactie met elektronenorbitalen in de bijgevoegde elektroden. Zoals Tao opmerkt, pi-orbitalen kunnen worden gezien als elektronenwolken, die loodrecht uitsteekt aan weerszijden van het vlak van het molecuul. Wanneer de kantelhoek van een molecuul dat tussen twee elektroden zit, verandert, deze pi-orbitalen kunnen in contact komen en vermengen met elektronenorbitalen in de gouden elektrode - een proces dat bekend staat als laterale koppeling. Deze laterale koppeling van orbitalen heeft het effect van toenemende geleiding.

In het geval van het pentafenyleenmolecuul, het laterale koppelingseffect was uitgesproken, met geleidbaarheidsniveaus die tot 10 keer toenamen naarmate de laterale koppeling van orbitalen een grotere rol ging spelen. In tegenstelling tot, het tetrafenylmolecuul dat als controle voor de experimenten werd gebruikt, vertoonde geen laterale koppeling en de geleidingswaarden bleven constant, ongeacht de hellingshoek toegepast op het molecuul. Tao zegt dat moleculen nu kunnen worden ontworpen om laterale koppelingseffecten van orbitalen te benutten of te minimaliseren. waardoor de fijnafstemming van de geleidingseigenschappen mogelijk is, op basis van de specifieke vereisten van een toepassing.

Een verdere zelfcontrole van de geleidbaarheidsresultaten werd uitgevoerd met behulp van een modulatiemethode. Hier, de positie van het molecuul werd in 3 ruimtelijke richtingen geschud en de geleidbaarheidswaarden werden waargenomen. Alleen wanneer deze snelle verstoringen specifiek de kantelhoek van het molecuul ten opzichte van de elektrode veranderden, werden de geleidingswaarden gewijzigd, wat aangeeft dat laterale koppeling van elektronenorbitalen inderdaad verantwoordelijk was voor het effect. Tao suggereert ook dat deze modulatietechniek breed kan worden toegepast als een nieuwe methode voor het evalueren van geleidingsveranderingen in systemen op moleculaire schaal.