Quando i dispositivi elettrici vengono ridotti a una scala molecolare, le proprietà elettriche e meccaniche di una data molecola diventano critiche. Si possono sfruttare proprietà specifiche, a seconda delle esigenze dell'applicazione. Qui, una singola molecola è attaccata alle due estremità a una coppia di elettrodi d'oro, formare un circuito elettrico, la cui corrente può essere misurata.
(PhysOrg.com) -- Nella ricerca che appare nel numero di oggi della rivista Nanotecnologia della natura , Nongjian "NJ" Tao, ricercatore presso il Biodesign Institute dell'Arizona State University, ha dimostrato un modo intelligente di controllare la conduttanza elettrica di una singola molecola, sfruttando le proprietà meccaniche della molecola.
Tale controllo potrebbe eventualmente svolgere un ruolo nella progettazione di gadget elettrici ultra-minuscoli, creato per svolgere una miriade di compiti utili, dal rilevamento biologico e chimico al miglioramento delle telecomunicazioni e della memoria del computer.
Tao guida un team di ricerca abituato ad affrontare le sfide legate alla creazione di dispositivi elettrici di queste dimensioni, dove gli effetti bizzarri del mondo quantistico spesso dominano il comportamento dei dispositivi. Come spiega Tao, uno di questi problemi è definire e controllare la conduttanza elettrica di una singola molecola, attaccato a un paio di elettrodi d'oro.
"Alcune molecole hanno proprietà elettromeccaniche insolite, che sono diversi dai materiali a base di silicio. Una molecola può anche riconoscere altre molecole tramite interazioni specifiche”. Queste proprietà uniche possono offrire un'enorme flessibilità funzionale ai progettisti di dispositivi su scala nanometrica.
Nella ricerca attuale, Tao esamina le proprietà elettromeccaniche di singole molecole racchiuse tra elettrodi conduttori. Quando viene applicata una tensione, è possibile misurare un flusso di corrente risultante. Un particolare tipo di molecola, noto come pentafenilene, è stato utilizzato ed è stata esaminata la sua conduttanza elettrica.
Il gruppo di Tao è stato in grado di variare la conduttanza fino a un ordine di grandezza, semplicemente cambiando l'orientamento della molecola rispetto alle superfici degli elettrodi. Nello specifico, l'angolo di inclinazione della molecola è stato alterato, con conduttanza in aumento al diminuire della distanza che separa gli elettrodi, e raggiungendo un massimo quando la molecola era in bilico tra gli elettrodi a 90 gradi.
La ragione della drammatica fluttuazione della conduttanza ha a che fare con i cosiddetti orbitali pi degli elettroni che compongono le molecole, e la loro interazione con gli orbitali elettronici negli elettrodi attaccati. Come nota Tao, gli orbitali pi possono essere pensati come nuvole di elettroni, sporgente perpendicolarmente da entrambi i lati del piano della molecola. Quando viene alterato l'angolo di inclinazione di una molecola intrappolata tra due elettrodi, questi orbitali pi possono entrare in contatto e fondersi con gli orbitali elettronici contenuti nell'elettrodo d'oro, un processo noto come accoppiamento laterale. Questo accoppiamento laterale degli orbitali ha l'effetto di aumentare la conduttanza.
Sono mostrati gli atomi di una molecola (in grigio), con i relativi orbitali pi greco (rosso). Al diminuire della distanza tra gli elettrodi, gli orbitali pi possono interagire con gli orbitali elettronici contenuti negli elettrodi d'oro, un processo noto come accoppiamento laterale. Questo effetto aumenta la conduttanza elettrica attraverso la molecola.
Nel caso della molecola di pentafenilene, l'effetto di accoppiamento laterale è stato pronunciato, con livelli di conduttanza che aumentavano fino a 10 volte man mano che l'accoppiamento laterale degli orbitali entrava in gioco. In contrasto, la molecola di tetrafenile utilizzata come controllo per gli esperimenti non ha mostrato accoppiamento laterale e i valori di conduttanza sono rimasti costanti, indipendentemente dall'angolo di inclinazione applicato alla molecola. Tao afferma che le molecole possono ora essere progettate per sfruttare o ridurre al minimo gli effetti di accoppiamento laterale degli orbitali, permettendo così la messa a punto delle proprietà di conduttanza, in base ai requisiti specifici di un'applicazione.
Un ulteriore autocontrollo sui risultati della conduttanza è stato effettuato utilizzando un metodo di modulazione. Qui, la posizione della molecola è stata spostata in 3 direzioni spaziali e sono stati osservati i valori di conduttanza. Solo quando queste rapide perturbazioni hanno specificamente modificato l'angolo di inclinazione della molecola rispetto all'elettrodo sono stati alterati i valori di conduttanza, indicando che l'accoppiamento laterale degli orbitali elettronici era effettivamente responsabile dell'effetto. Tao suggerisce anche che questa tecnica di modulazione può essere ampiamente applicata come un nuovo metodo per valutare i cambiamenti di conduttanza nei sistemi su scala molecolare.
