Individuele moleculen zijn gebruikt om elektrische componenten zoals weerstanden, transistoren en diodes, die de eigenschappen van bekende halfgeleiders nabootsen. Maar volgens Nongjian (NJ) Tao, een onderzoeker aan het Biodesign Institute® van de Arizona State University, unieke eigenschappen die inherent zijn aan afzonderlijke moleculen, kunnen slimme ontwerpers ook in staat stellen nieuwe apparaten te produceren waarvan het gedrag buiten de prestaties valt die worden waargenomen in conventionele elektronica.

In onderzoek dat verschijnt in het nummer van vandaag van Natuur Nanotechnologie , Tao beschrijft een methode voor het mechanisch regelen van de geometrie van een enkel molecuul, gelegen in een kruising tussen een paar gouden elektroden die een eenvoudig circuit vormen. De manipulaties produceerden een meer dan tienvoudige toename van de geleidbaarheid.

het ongewone, vaak niet-intuïtieve kenmerken van afzonderlijke moleculen kunnen uiteindelijk worden geïntroduceerd in een breed scala van micro-elektronica, geschikt voor toepassingen met inbegrip van biologische en chemische detectie; elektronische en mechanische apparaten.

Delicate moleculaire manipulaties die geduld en finesse vereisen, zijn routine voor Tao, wiens onderzoek bij Biodesign's Center for Bioelectronics and Biosensors het werk aan moleculaire diodes omvatte, grafeengedrag en moleculaire beeldvormingstechnieken. Hoe dan ook, hij was verrast door het resultaat dat in het huidige artikel wordt beschreven:"Als je een molecuul aan elektroden hebt bevestigd, het kan uitrekken als een rubberen band, "zegt hij. "Als het langer wordt, de meeste mensen hebben de neiging om te denken dat de geleidbaarheid zal afnemen. Een langere draad is minder geleidend dan een kortere draad."

Inderdaad, afnemende geleidbaarheid door een molecuul wordt gewoonlijk waargenomen wanneer de afstand tussen de aan het oppervlak bevestigde elektroden wordt vergroot en het molecuul langwerpig wordt. Maar volgens Tao, als je het molecuul voldoende uitrekt, er gebeurt iets onverwachts:de geleiding gaat enorm omhoog. "We zien een minstens 10 keer grotere geleidbaarheid, gewoon door aan het molecuul te trekken."

Zoals Tao uitlegt, het intrigerende resultaat is een bijproduct van de wetten van de kwantummechanica, die het gedrag van materie op de kleinste schalen dicteren:"De geleidbaarheid van een enkel molecuul is niet eenvoudig omgekeerd evenredig met de lengte. Het hangt af van de uitlijning van het energieniveau."

In de metalen draden van de elektroden, elektronen kunnen vrij bewegen, maar wanneer ze bij een interface komen - in dit geval een molecuul dat op de kruising tussen elektroden zit - ze moeten een energiebarrière overwinnen. De hoogte van deze energiebarrière is van cruciaal belang voor hoe gemakkelijk elektronen door het molecuul kunnen gaan. Door een mechanische kracht op het molecuul uit te oefenen, de drempel wordt verlaagd, geleiding verbeteren.

"Theoretisch, mensen hebben dit als een mogelijkheid gezien, maar dit is een demonstratie dat het echt gebeurt, ', zegt Tao. 'Als je het molecuul uitrekt en de lengte geometrisch vergroot, het verlaagt energetisch de barrière zodat elektronen er gemakkelijk doorheen kunnen. Als je in optische termen denkt, het wordt transparanter voor elektronen."

De reden hiervoor heeft te maken met een eigenschap die bekend staat als krachtgeïnduceerde resonantietunneling. Dit gebeurt wanneer de moleculaire energie dichter bij het Fermi-niveau van de elektroden komt, dat wil zeggen, naar het gebied van optimale geleiding. (Zie figuur 1) Dus, als het molecuul wordt uitgerekt, het veroorzaakt een afname van de tunneling-energiebarrière.

Voor de experimenten, Tao's groep gebruikte 1 4'-benzeendithiol, de meest bestudeerde entiteit voor moleculaire elektronica. Verdere experimenten toonden aan dat het transport van elektronen door het molecuul een overeenkomstige afname onderging naarmate de afstand tussen de elektroden kleiner werd, waardoor de geometrie van het molecuul verschuift van een uitgerekte toestand naar een ontspannen of samengedrukte toestand. "We moeten dit duizenden keren doen om er zeker van te zijn dat het effect robuust en reproduceerbaar is."

Naast het praktische belang van de ontdekking, de nieuwe gegevens tonen een nauwe overeenkomst met theoretische modellen van moleculaire geleiding, die vaak in strijd waren met experimentele waarden, in orde van grootte.

Tao benadrukt dat afzonderlijke moleculen aantrekkelijke kandidaten zijn voor nieuwe soorten elektronische apparaten, juist omdat ze heel andere eigenschappen kunnen vertonen dan die waargenomen in conventionele halfgeleiders.

Micro-elektromechanische systemen of MEMS zijn slechts één domein waar de veelzijdige eigenschappen van afzonderlijke moleculen waarschijnlijk hun stempel zullen drukken. Deze kleine creaties vertegenwoordigen een industrie van $ 40 miljard per jaar en omvatten innovaties als optische schakelaars, gyroscopen voor auto's, lab-on-chip biomedische toepassingen en micro-elektronica voor mobiele apparaten.

"In de toekomst, wanneer mensen apparaten ontwerpen met behulp van moleculen, ze zullen een nieuwe gereedschapskist hebben die ze kunnen gebruiken."