Een studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie waarbij onderzoekers van het Madrid Institute for Advanced Studies in Nanoscience (IMDEA) en de Universiteit van Sevilla zijn betrokken, heeft voor het eerst de elektrische geleidbaarheid van een enkele koolstofnanobuis met spin-verknoopte moleculen erin gemeten.

Aangezien elektronische apparaten steeds kleiner worden om aan de eisen van de markt te voldoen, wetenschappers werken aan de ontwikkeling van de minuscule componenten die ervoor zorgen dat ze werken. Er is een aanhoudende vraag naar snelle en efficiënte processen, en spin-logic (Spintronics)-apparaten zouden de oplossing kunnen zijn om de toekomst van computers vorm te geven. Hier, magnetische moleculen zouden een nieuwe draai kunnen geven aan conventionele elektronica. Vooral, spin-crossover (SCO)-moleculen voldoen aan een familie van nuldimensionale (0D) functionele eenheden die een radicale draaischakelaar vertonen die wordt geactiveerd door een elektrostructurele verandering die kan worden geactiveerd door externe prikkels zoals licht, druk of temperatuur. De spin-schakelaar geeft SCO-moleculen uitstekende mogelijkheden en functionaliteiten voor implementatie in nano-elektronica. Echter, hun isolerende karakter verhindert tot dusverre de volledige benutting van deze moleculen. Verschillende groepen hebben SCO-moleculen ingebed in matrices van geleidend materiaal, maar de resultaten zijn niet volledig compatibel met de vereisten van apparaten op nanoschaal.

Een baanbrekend systeem voor het effectief opnemen van SCO-moleculen in geleidende materialen is om ze in geleidende koolstofnanobuizen te introduceren. Koolstofnanobuisjes zijn eendimensionale (1D) materialen, sterk, lichtgewicht en, het belangrijkste, sterk elektrisch geleidende miniatuurdraden, typisch 1-5 nanometer in diameter, maar tot centimeters lang. Voor de eerste keer, een groep onderzoekers van IMDEA Nanociencia heeft op Fe gebaseerde SCO-moleculen ingekapseld in koolstofnanobuisjes. De enkelwandige koolstofnanobuizen fungeren als geleidende ruggengraat die dragen, bescherm en voel de SCO-spintoestand van de moleculen, en overwint hun isolerende nadelen.

De onderzoekers, onder leiding van prof. Emilio M. Pérez, Dr. José Sanchez Costa en Dr. Enrique Burzurí, bestudeerde het elektronentransport door individuele koolstofnanobuisjes ingebed in transistors op nanoschaal door diëlektroforese. Ze vonden een verandering in de elektrische geleiding van de nanobuis die wordt gemodificeerd door de spintoestand van de ingekapselde SCO-moleculen. De overgang tussen de twee geleidende toestanden wordt geactiveerd door een thermische schakelaar die niet symmetrisch blijkt te zijn:het overgangstemperatuurpunt is niet hetzelfde als het naar beneden gaat dan naar boven op de thermometer. Dit feit opent een hysterese die niet aanwezig is in kristallijne monsters, en er ontstaan ​​veel interessante potentiële toepassingen voor het hybride systeem:"Deze systemen zijn als mini-geheugenelementen op nanoschaal, omdat ze een hysteresecyclus met temperatuurvariatie vertonen. Ze kunnen ook dienen als een filter van spin (een vraag naar spintronische apparaten) omdat de nanobuis "voelt" of het molecuul spin heeft of niet", merkt Dr. Burzurí op.

De experimentele resultaten worden ondersteund door theoretische berekeningen door onderzoekers van de Universidad de Sevilla. Tijdens het wisselen, de orbitalen van de SCO-moleculen veranderen en dus hun hybridisatie met de koolstofnanobuis, dat op zijn beurt wijzigt de elektrische geleidbaarheid van de laatste. De SCO-moleculen in hun lage spintoestand hebben een sterkere interactie met de nanobuisjes; het is moeilijker voor hen om hun spintoestand te veranderen en dit wordt vertaald naar een "sprong" in de geleidbaarheid van nanobuisjes bij een bepaalde temperatuur, afhankelijk van de initiële spinstatus.

Deze eerste inkapseling van SCO-moleculen in enkelwandige koolstofnanobuizen is een fundamenteel onderzoeksresultaat dat helpt om het gedrag van deze moleculen te begrijpen wanneer ze in zeer kleine ruimtes worden opgesloten, en biedt een ruggengraat voor hun uitlezing en positionering in nanodevices. De auteurs hopen dat een dergelijke mix-dimensionale (0D-1D) hybride de beste eigenschappen van hun samenstellende materialen kan benutten, het exploiteren van de spin-toestand als een andere vrijheidsgraad. Dit minuscule draadje en schakelaar kan op preparatieve schaal worden geproduceerd en kan een relevante stap zijn in de ontwikkeling van magnetische systemen op nanoschaal.