Le singole molecole sono state utilizzate per creare componenti elettrici come resistori, transistor e diodi, che imitano le proprietà dei semiconduttori familiari. Ma secondo Nongjian (NJ) Tao, ricercatore presso il Biodesign Institute® dell'Arizona State University, proprietà uniche inerenti alle singole molecole possono anche consentire a progettisti intelligenti di produrre nuovi dispositivi il cui comportamento non rientra nelle prestazioni osservate nell'elettronica convenzionale.

Nella ricerca che appare nel numero di oggi di Nanotecnologia della natura , Tao descrive un metodo per controllare meccanicamente la geometria di una singola molecola, situato in una giunzione tra una coppia di elettrodi d'oro che formano un semplice circuito. Le manipolazioni hanno prodotto un aumento di oltre dieci volte della conduttività.

L'insolito, caratteristiche spesso non intuitive delle singole molecole possono eventualmente essere introdotte in un'ampia gamma di microelettronica, adatto per applicazioni che includono il rilevamento biologico e chimico; dispositivi elettronici e meccanici.

Delicate manipolazioni molecolari che richiedono pazienza e finezza sono routine per Tao, la cui ricerca presso il Centro di Bioelettronica e Biosensori di Biodesign ha incluso lavori sui diodi molecolari, comportamento del grafene e tecniche di imaging molecolare. Tuttavia, è rimasto sorpreso dal risultato descritto nell'articolo corrente:"Se hai una molecola attaccata agli elettrodi, può allungarsi come un elastico, " dice. "Se si allunga, la maggior parte delle persone tende a pensare che la conduttività diminuirà. Un filo più lungo è meno conduttivo di un filo più corto."

Infatti, La diminuzione della conduttività attraverso una molecola si osserva comunemente quando la distanza tra gli elettrodi attaccati alla sua superficie aumenta e la molecola si allunga. Ma secondo Tao, se allunghi abbastanza la molecola, accade qualcosa di inaspettato:la conduttanza aumenta, di una quantità enorme. "Vediamo una conduttività almeno 10 volte maggiore, semplicemente tirando la molecola."

Come spiega Tao, il risultato intrigante è un sottoprodotto delle leggi della meccanica quantistica, che dettano il comportamento della materia alle scale più piccole:"La conduttività di una singola molecola non è semplicemente inversamente proporzionale alla lunghezza. Dipende dall'allineamento del livello di energia".

Nei fili metallici degli elettrodi, gli elettroni possono muoversi liberamente ma quando arrivano a un'interfaccia, in questo caso, una molecola che si trova nella giunzione tra gli elettrodi:devono superare una barriera energetica. L'altezza di questa barriera energetica è fondamentale per la facilità con cui gli elettroni possono passare attraverso la molecola. Applicando una forza meccanica alla molecola, la barriera è abbassata, miglioramento della conduttanza.

"Teoricamente, la gente ha pensato a questo come una possibilità, ma questa è una dimostrazione che succede davvero, " dice Tao. "Se allunghi la molecola e aumenti geometricamente la lunghezza, abbassa energeticamente la barriera in modo che gli elettroni possano facilmente attraversarla. Se pensi in termini ottici, diventa più trasparente agli elettroni."

La ragione di ciò ha a che fare con una proprietà nota come tunneling risonante indotto dalla forza. Ciò si verifica quando l'energia molecolare si avvicina al livello di Fermi degli elettrodi, cioè verso la regione di conduttanza ottimale. (Vedi figura 1) Pertanto, quando la molecola si allunga, provoca una diminuzione della barriera energetica di tunneling.

Per gli esperimenti, Il gruppo di Tao ha usato 1, 4'-benzenditiolo, l'entità più studiata per l'elettronica molecolare. Ulteriori esperimenti hanno dimostrato che il trasporto di elettroni attraverso la molecola subiva una corrispondente diminuzione al diminuire della distanza tra gli elettrodi, facendo sì che la geometria della molecola si sposti da una condizione allungata a uno stato rilassato o schiacciato. "Dobbiamo farlo migliaia di volte per essere sicuri che l'effetto sia robusto e riproducibile".

Oltre all'importanza pratica della scoperta, i nuovi dati mostrano uno stretto accordo con i modelli teorici della conduttanza molecolare, che era spesso in contrasto con i valori sperimentali, per ordini di grandezza.

Tao sottolinea che le singole molecole sono candidati convincenti per nuovi tipi di dispositivi elettronici, proprio perché possono esibire proprietà molto diverse da quelle osservate nei semiconduttori convenzionali.

I sistemi microelettromeccanici o MEMS sono solo un dominio in cui è probabile che le proprietà versatili delle singole molecole lascino il segno. Queste piccole creazioni rappresentano un'industria da 40 miliardi di dollari l'anno e includono innovazioni come interruttori ottici, giroscopi per auto, applicazioni biomediche lab-on-chip e microelettronica per dispositivi mobili.

"Nel futuro, quando le persone progettano dispositivi usando molecole, avranno una nuova cassetta degli attrezzi che possono usare."