Wetenschappers van de Universiteit van Konstanz en het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) werken aan het opslaan en verwerken van informatie op het niveau van afzonderlijke moleculen om de kleinst mogelijke componenten te creëren die autonoom een ​​circuit vormen. Zoals onlangs gemeld in het wetenschappelijke tijdschrift Geavanceerde wetenschap , de onderzoekers kunnen met behulp van licht voor het eerst de stroom door een enkel molecuul aanzetten.

Dr. Arthur Erbe, natuurkundige aan de HZDR, is ervan overtuigd dat moleculaire elektronica in de toekomst de deur zal openen voor nieuwe en steeds kleinere, maar ook energiezuinigere componenten of sensoren:"Enkele moleculen zijn momenteel de kleinst denkbare componenten die in een processor kunnen worden geïntegreerd." Wetenschappers zijn er nog niet in geslaagd een molecuul zo af te stemmen dat het een elektrische stroom kan geleiden en dat deze stroom selectief kan worden in- en uitgeschakeld als een elektrische schakelaar.

Dit vereist een molecuul waarin een anders sterke binding tussen individuele atomen op één locatie oplost - en weer vormt precies wanneer energie in de structuur wordt gepompt. Dr. Jannic Wolf, scheikundige aan de universiteit van Konstanz, ontdekte via complexe experimenten dat een bepaalde diaryletheenverbinding een geschikte kandidaat is. De voordelen van dit molecuul, ongeveer drie nanometer groot, zijn dat het heel weinig roteert wanneer een punt in zijn structuur opent en het twee nanodraden bezit die als contacten kunnen worden gebruikt. Het diaryletheen is een isolator wanneer het open is en wordt een geleider wanneer het gesloten is. Het vertoont dus een ander fysiek gedrag, een gedrag dat de wetenschappers uit Konstanz en Dresden voor het eerst met zekerheid konden aantonen in tal van reproduceerbare metingen in een enkel molecuul.

Een computer uit een reageerbuis

Een bijzonder kenmerk van deze moleculaire elektronica is dat ze zich afspelen in een vloeistof in een reageerbuis, waar de moleculen in contact komen met de oplossing. Om na te gaan welke effecten de oplossingsvoorwaarden hebben op het schakelproces, het was daarom noodzakelijk om verschillende oplosmiddelen systematisch te testen. Het diaryletheen moet aan het uiteinde van de nanodraden worden vastgemaakt aan elektroden zodat de stroom kan vloeien. "We hebben een nanotechnologie ontwikkeld bij de HZDR die vertrouwt op extreem dunne tips gemaakt van heel weinig goudatomen. We rekken de schakelbare diaryletheenverbinding tussen hen uit, " legt dr. Erbe uit.

Als een lichtstraal het molecuul raakt, het schakelt van zijn open naar zijn gesloten toestand, resulterend in een stromende stroom. "Voor de eerste keer ooit konden we een enkelvoudig gecontacteerd molecuul inschakelen en bewijzen dat dit precieze molecuul een geleider wordt waarop we de lichtstraal hebben gebruikt, " zegt dr. Erbe, blij met de resultaten. "We hebben het moleculaire schakelmechanisme ook tot in de kleinste details gekarakteriseerd, daarom geloof ik dat we erin geslaagd zijn een belangrijke stap te zetten in de richting van een echte moleculaire elektronische component."

Uitschakelen, echter, werkt nog niet met het gecontacteerde diaryletheen, maar de natuurkundige heeft er alle vertrouwen in:"Onze collega's van de HZDR-theoriegroep berekenen hoe precies het molecuul moet draaien zodat de stroom wordt onderbroken. Samen met de chemici uit Konstanz, we zullen in staat zijn om het ontwerp en de synthese voor het molecuul dienovereenkomstig te implementeren." er is veel geduld nodig omdat het een kwestie van fundamenteel onderzoek is. Het contact met het diaryletheenmolecuul met behulp van elektronenstraallithografie en de daaropvolgende metingen alleen al duurde drie lange jaren. Ongeveer tien jaar geleden, een werkgroep van de Rijksuniversiteit Groningen in Nederland was er al in geslaagd een schakelaar te bouwen die de stroom zou kunnen onderbreken. De uit-schakelaar werkte ook maar in één richting, maar wat destijds niet met zekerheid kon worden bewezen, was dat de verandering in geleidbaarheid gebonden was aan een enkel molecuul.

Een onderzoeksgebied in Dresden is wat bekend staat als zelforganisatie. "DNA-moleculen zijn, bijvoorbeeld, zonder hulp van buitenaf in staat zijn zichzelf in structuren te ordenen. Als we erin slagen logische schakelaars te maken van zelforganiserende moleculen, dan zullen de computers van de toekomst uit reageerbuizen komen, Dr. Erbe profeteert. De enorme voordelen van deze nieuwe technologie zijn duidelijk:productie-installaties van miljarden euro die nodig zijn voor de productie van de huidige micro-elektronica zouden tot het verleden kunnen behoren. De voordelen liggen niet alleen in de productie, maar ook in de exploitatie van de nieuwe moleculaire componenten, omdat ze allebei heel weinig energie nodig hebben.