I ricercatori dimostrano un'elevata conduttanza elettrica per un complesso di nichel antiaromatico, un ordine di grandezza superiore rispetto a un complesso aromatico simile. Poiché la conduttanza è sintonizzabile anche mediante gating elettrochimico, i complessi antiaromatici sono materiali promettenti per i futuri dispositivi elettronici.

I materiali organici hanno spesso un costo di produzione inferiore rispetto ai tradizionali conduttori elettrici come metalli e semiconduttori. Non tutti i sistemi organici conducono bene l'elettricità, però. Si prevede che una classe di materiali organici noti come composti antiaromatici, caratterizzati da anelli planari di atomi di carbonio che condividono un numero di elettroni multiplo di quattro, siano eccellenti conduttori, ma questa previsione è stata difficile da verificare poiché le molecole antiaromatiche sono solitamente instabili. Ora, Shintaro Fujii e Manabu Kiguchi del Tokyo Institute of Technology e colleghi hanno eseguito uno studio sistematico sul trasporto di carica in un singolo, molecola antiaromatica stabile. Rispetto a una molecola aromatica strutturalmente correlata (dove gli anelli di carbonio condividono due elettroni in più), la sua conduttanza elettrica record è di un ordine di grandezza superiore.

I ricercatori hanno studiato un particolare complesso di nichel a base di norcorrole, Ni (no), che è antiaromatico ma stabile, e un aromatico strutturalmente simile, complesso di nichel a base di porfirina, Ni(porph). Hanno misurato le conducibilità dei due composti mediante la tecnica della rottura della giunzione mediante microscopia a effetto tunnel a scansione; in una tale configurazione, la corrente attraverso una singola molecola racchiusa tra due parti di una giunzione rotta viene misurata in funzione della tensione applicata. Con una conduttanza di oltre 4 ^10–4 quanti di conduttanza, Ni(nor) è il complesso organometallico conosciuto più conduttivo. Ni(porph) è risultato avere un valore circa 25 volte inferiore, un risultato che conferma la superiore conduttività delle molecole antiaromatiche. Tramite calcoli teorici della struttura elettronica delle molecole e proprietà di trasporto di carica, gli scienziati sono stati in grado di identificare l'origine della conduttanza potenziata dall'antiaromaticità:per Ni(nor), l'orbitale molecolare più basso non occupato si trova più vicino al livello di Fermi (la quantità di lavoro necessaria per aggiungere un elettrone al sistema) che per Ni(porph).

Fujii e colleghi sono anche riusciti a dimostrare la sintonizzabilità della conduttanza della singola molecola di Ni(nor). Applicando una tecnica nota come gating elettrochimico, che consente di controllare i livelli di energia molecolare relativi al livello di Fermi degli elettrodi di source e drain (della giunzione a singola molecola) variando un potenziale elettrochimico applicato, i ricercatori hanno dimostrato una modulazione di 5 volte della conduttanza di Ni(nor).

I risultati di Fujii e colleghi mostrano che i materiali antiaromatici sono promettenti sistemi a basso costo che mostrano un'elevata conduttanza elettrica. Nelle parole dei ricercatori, il loro studio "fornisce linee guida rilevanti per la progettazione di materiali molecolari per l'elettronica a singola molecola altamente conduttiva.

Sfondo

Aromaticità e antiaromaticità

Le molecole organiche sono chiamate aromatiche quando presentano un anello planare di atomi di carbonio con legami di risonanza, un tipo di legame intermedio tra un singolo e un doppio legame, con conseguente elevata stabilità chimica (cioè, bassa reattività). La molecola aromatica archetipica è il benzene, C ₆ h ₆ , caratterizzato da un anello aromatico esagonale di atomi di carbonio. Il numero di elettroni (cosiddetti elettroni ) condivisi dall'anello è sempre un multiplo di quattro più due (per il benzene, Per esempio, sono le sei), una proprietà nota come regola di Hückel.

L'antiaromaticità è una proprietà simile:un anello di carbonio planare, ma con un numero di elettroni π multiplo di quattro (per il ciclobutadiene, Per esempio, sono quattro). Una tale situazione si traduce in instabilità chimica.

Fujii e colleghi hanno lavorato con una scuderia, complesso a base di nichel caratterizzato da una parte antiaromatica. Rispetto ad un complesso simile con una parte aromatica, la sua conduttanza è un ordine di grandezza più grande, confermando la precedente previsione che le molecole antiaromatiche sono ottimi conduttori elettrici.

Conduttanza

Quanto bene un materiale conduce l'elettricità è espresso tramite una quantità chiamata conduttanza elettrica, G. È l'inverso della resistenza elettrica, R =1/G. La conduttanza è definita come il rapporto tra la corrente I che attraversa il materiale (o, nel presente lavoro, una singola molecola) e la tensione V ai suoi capi. L'unità di conduttanza è il Siemens, S, ma i valori di conduttanza sono spesso dati rispetto al quanto di conduttanza, G0 7,7 x 10 ^–5 S.

Fujii e colleghi hanno ottenuto i valori della conduttanza per i relativi complessi antiaromatici e aromatici a base di nichel misurando le loro caratteristiche di tensione di corrente (I-V) in una configurazione di microscopia a scansione di tunnel (STM).