Recentemente, al Biodesign Institute dell'Arizona State University, N.J. Tao e i suoi collaboratori hanno trovato un modo per realizzare un componente elettrico chiave su una scala incredibilmente piccola. Il loro diodo a molecola singola è descritto nell'edizione online di questa settimana di Chimica della natura .

Nel mondo dell'elettronica, i diodi sono un componente versatile e onnipresente. Apparendo in molte forme e dimensioni, sono utilizzati in una gamma infinita di dispositivi e sono ingredienti essenziali per l'industria dei semiconduttori. Rendere più piccoli i componenti inclusi i diodi, più economico, più veloce ed efficiente è stato il Santo Graal di un campo dell'elettronica esplosivo, ora sondando il regno su scala nanometrica.

Dimensioni ridotte significano costi inferiori e prestazioni migliori per i dispositivi elettronici. La CPU del computer di prima generazione utilizzava poche migliaia di transistor, Tao dice notando il forte progresso della tecnologia del silicio. "Ora anche semplice, i computer economici usano milioni di transistor su un singolo chip."

Ma ultimamente, il compito della miniaturizzazione è diventato molto più difficile, e il famoso detto noto come legge di Moore, che afferma che il numero di transistor a base di silicio su un chip raddoppia ogni 18-24 mesi, alla fine raggiungerà i suoi limiti fisici. "La dimensione del transistor sta raggiungendo alcune decine di nanometri, solo circa 20 volte più grande di una molecola, " Dice Tao. "Questo è uno dei motivi per cui le persone sono entusiaste di questa idea di elettronica molecolare".

I diodi sono componenti critici per una vasta gamma di applicazioni, da apparecchiature di conversione di potenza, alle radio, porte logiche, fotorivelatori e dispositivi emettitori di luce. In ogni caso, i diodi sono componenti che consentono alla corrente di fluire in una direzione attorno a un circuito elettrico ma non nell'altra. Affinché una molecola esegua questa impresa, Tao spiega, deve essere fisicamente asimmetrico, con un'estremità in grado di formare un legame covalente con l'anodo caricato negativamente e l'altra con il terminale catodico positivo.

Il nuovo studio confronta una molecola simmetrica con una asimmetrica, dettagliando le prestazioni di ciascuno in termini di trasporto di elettroni. "Se hai una molecola simmetrica, la corrente va in entrambe le direzioni, proprio come un normale resistore, " Tao osserva. Questo è potenzialmente utile, ma il diodo è un componente più importante (e difficile) da replicare (vedi figura).

L'idea di superare i limiti del silicio con un componente elettronico a base di molecole è in circolazione da un po'. "I chimici teorici Mark Ratner e Ari Aviram hanno proposto l'uso di molecole per l'elettronica come i diodi nel 1974, "Tao dice, aggiungendo "le persone in tutto il mondo hanno cercato di raggiungere questo obiettivo per oltre 30 anni".

La maggior parte degli sforzi fino ad oggi ha coinvolto molte molecole, note di Tao, riferimento a film sottili molecolari. Solo di recente sono stati fatti seri tentativi per superare gli ostacoli ai progetti di singole molecole. Una delle sfide consiste nel collegare una singola molecola ad almeno due elettrodi che le forniscono corrente. Un'altra sfida riguarda il corretto orientamento della molecola nel dispositivo. "Ora siamo in grado di farlo:costruire un dispositivo a singola molecola con un orientamento ben definito, " dice Tao.

La tecnica sviluppata dal gruppo di Tao si basa su una proprietà nota come modulazione AC. "Fondamentalmente, applichiamo alla molecola una piccola perturbazione meccanica che varia periodicamente. Se c'è una molecola collegata a due elettrodi, risponde in un modo. Se non c'è nessuna molecola, possiamo dire".

Il progetto interdisciplinare ha coinvolto il professor Luping Yu, all'Università di Chicago, che ha fornito le molecole per lo studio, nonché collaboratore teorico, Professor Ivan Oleynik della University of South Florida. Il team ha utilizzato molecole coniugate, in cui gli atomi sono attaccati insieme con alternanza di legami singoli e multipli. Tali molecole mostrano una grande conduttività elettrica e hanno estremità asimmetriche in grado di formare spontaneamente legami covalenti con elettrodi metallici per creare un circuito chiuso.

I risultati del progetto aumentano la prospettiva di costruire diodi a singola molecola, i dispositivi più piccoli che si possano costruire. "Penso che sia eccitante perché siamo in grado di guardare una singola molecola e giocarci, " dice Tao. "Possiamo applicare una tensione, una forza meccanica, o campo ottico, misurare la corrente e vedere la risposta. Poiché la fisica quantistica controlla i comportamenti delle singole molecole, questa capacità ci consente di studiare proprietà distinte da quelle dei dispositivi convenzionali".

chimici, fisici, ricercatori sui materiali, gli esperti e gli ingegneri computazionali svolgono tutti un ruolo centrale nel campo emergente della nanoelettronica, dove uno zoo di molecole disponibili con diverse funzioni fornisce la materia prima per l'innovazione. Tao sta anche esaminando le proprietà meccaniche delle molecole, Per esempio, la loro capacità di oscillare. Le proprietà di legame tra le molecole le rendono candidati interessanti per una nuova generazione di sensori chimici. "Personalmente, Sono interessato all'elettronica molecolare non per il loro potenziale di duplicare le odierne applicazioni al silicio, " dice Tao. Invece, l'elettronica molecolare trarrà vantaggio da un'elettronica unica, meccanico, proprietà di legame ottico e molecolare che li distinguono dai semiconduttori convenzionali. Ciò può portare ad applicazioni che integrano, anziché sostituire, i dispositivi in ​​silicio.

Fonte:Arizona State University (notizie:web)