La conversione diretta di una differenza di temperatura in elettricità, noto come effetto termoelettrico, è un approccio ecologico alla raccolta diretta dell'elettricità dal calore. La capacità di un materiale di convertire il calore in elettricità è misurata dalla sua cifra di merito termoelettrica. I materiali con un'elevata figura di merito termoelettrico sono quindi ampiamente desiderati per l'uso nella raccolta di energia. Gli effetti di confinamento quantistico nei nanomateriali derivanti dai loro stati elettronici discreti possono aumentare la loro figura di merito termoelettrica. In particolare, una singola molecola che collega due elettrodi mostra il confinamento quantistico. L'ottimizzazione degli stati elettronici di elettrodi a ponte di una singola molecola potrebbe produrre un grande effetto termoelettrico. Il contatto tra la molecola e gli elettrodi influenzerà anche il suo comportamento termoelettrico. Però, questa relazione è stata raramente presa in considerazione a causa di difficoltà tecniche.

I ricercatori dell'Università di Osaka hanno recentemente studiato l'influenza che la geometria dei contatti molecola-elettrodo ha sul comportamento termoelettrico della molecola. Come riportato in una recente edizione di Rapporti scientifici , hanno misurato contemporaneamente la conduttanza elettrica e la termotensione di molecole con gruppi diversi ancorando le molecole agli elettrodi a temperatura ambiente nel vuoto.

Il team ha prima fabbricato strutture costituite da elettrodi d'oro collegati a ponte da varie singole molecole. La distanza tra gli elettrodi, che sono stati mantenuti sotto un gradiente di temperatura, è stata ripetutamente aumentata e diminuita mentre veniva misurata la conduttanza elettrica e la termotensione di ciascuna struttura.

"Abbiamo studiato le caratteristiche termoelettriche di varie singole molecole a base di benzene con un'enfasi sull'influenza delle loro strutture di giunzione, " dice l'autore corrispondente Makusu Tsutsui. "Le molecole hanno mostrato un comportamento diverso a seconda dei loro gruppi di ancoraggio degli elettrodi, e tutti i tipi di molecole mostravano più stati di termotensione."

I molteplici stati di termotensione delle molecole sono stati studiati mediante misurazioni termoelettriche e analisi teoriche. Il più grande effetto termoelettrico è stato osservato per le strutture contenenti un legame tiolico allungato con l'elettrodo d'oro. L'aumento della termotensione delle strutture con un legame oro-tiolo allungato è stato attribuito a questa configurazione spostando il livello di energia della molecola coinvolta nel trasporto degli elettroni in una posizione più favorevole.

"La dipendenza osservata della termotensione dal gruppo di ancoraggio nelle strutture di giunzione rivela un modo per modulare le prestazioni termoelettriche dei dispositivi a singola molecola, " spiega Tsutsui.

I risultati del gruppo ampliano la nostra comprensione di come la geometria di un dispositivo a singola molecola può influenzare la sua figura di merito termoelettrica. Questi risultati dovrebbero contribuire allo sviluppo di dispositivi termoelettrici a singola molecola in grado di ricavare elettricità in modo efficiente dal calore.