Un team di scienziati del Tyndall National Institute presso l'University College Cork e la National University of Singapore hanno progettato e fabbricato dispositivi ultra-piccoli per l'elettronica ad alta efficienza energetica. Scoprendo come si comportano le molecole in questi dispositivi, un aumento di dieci volte dell'efficienza di commutazione è stato ottenuto cambiando solo un atomo di carbonio. Questi dispositivi potrebbero fornire nuovi modi per combattere il surriscaldamento di telefoni cellulari e laptop, e potrebbe anche aiutare nella stimolazione elettrica della riparazione dei tessuti per la guarigione delle ferite. La rivoluzionaria creazione di dispositivi molecolari con proprietà elettriche altamente controllabili apparirà nel numero di febbraio di Nanotecnologia della natura . Il dottor Damien Thompson al Tyndall National Institute, UCC e un team di ricercatori della National University of Singapore guidati dal Prof. Chris Nijhuis hanno progettato e creato i dispositivi, che si basano su molecole che fungono da elettrovalvole, o raddrizzatori a diodi.

Il Dr. Thompson spiega "Queste molecole sono molto utili perché consentono alla corrente di fluire attraverso di esse quando sono accese e bloccano il flusso di corrente quando sono spente. I risultati dello studio mostrano che la semplice aggiunta di un carbonio in più è sufficiente per migliorare le prestazioni del dispositivo di più di un fattore dieci. Stiamo seguendo molte nuove idee basate su questi risultati, e speriamo in definitiva di creare una gamma di nuovi componenti per dispositivi elettronici." Le simulazioni al computer a livello di atomo del Dr. Thompson hanno mostrato come le molecole con un numero dispari di atomi di carbonio siano più dritte delle molecole con un numero pari di atomi di carbonio. Ciò consente loro di Il gruppo Nijhuis di Singapore ha formato assemblaggi fitti di queste molecole sulle superfici degli elettrodi metallici e si è scoperto che erano notevolmente privi di difetti. Questi dispositivi di alta qualità possono sopprimere le correnti di dispersione e quindi operare in modo efficiente e affidabile. il dispositivo può essere acceso e spento in modo pulito esclusivamente sulla base della carica e della forma delle molecole, proprio come nelle nanomacchine biologiche che regolano la fotosintesi, divisione cellulare e crescita tissutale.

Il prof. Jim Greer, leader del Tyndall Electronic Theory Group, spiega:"I moderni dispositivi elettronici come telefoni e tablet in produzione oggi si basano su minuscoli interruttori che si avvicinano a dimensioni molecolari. Ciò offre nuove sfide per l'elettronica ma apre interessanti opportunità per la fusione di proprietà molecolari da utilizzare per vantaggio. Il lavoro del Dr. Thompson è una nuova ed entusiasmante strada per sfruttare la progettazione molecolare per ottenere nuovi modi per eseguire l'elaborazione delle informazioni". Una caratteristica fondamentale per l'elettronica su scala nanometrica sarà la capacità di utilizzare molecole come raddrizzatori e interruttori. Dimostrando la progettazione razionale di molecole che rettificano la corrente con un rapporto ON/OFF ampio e altamente riproducibile, lo studio fornisce un progresso chiave verso la creazione di componenti di dispositivi ultra-piccoli tecnologicamente validi. Cinquantamila molecole di raddrizzatore infilate da un capo all'altro si adatterebbero al diametro di un capello umano. I progressi nell'informatica, la sintesi e la caratterizzazione consentono agli scienziati di comprendere e controllare il materiale su scala di atomi e molecole.

Lo studio è stato finanziato da parte irlandese da un premio Science Foundation Ireland Starting Investigator al Dr. Thompson. Le simulazioni al computer sono state eseguite sui cluster di calcolo supportati dalla Science Foundation Ireland a Tyndall e presso l'Irish Centre for High End Computing. Gli esperimenti e le simulazioni combinati mostrano per la prima volta che piccoli miglioramenti nell'orientamento delle molecole e nell'impaccamento innescano cambiamenti nelle forze di van der Waals che sono sufficientemente grandi da migliorare notevolmente le prestazioni dei dispositivi elettronici. Il Dr. Thompson spiega:"Queste forze di van der Waals sono le più deboli di tutte le forze intermolecolari e diventano significative solo se sommate su grandi aree. Quindi, fino ad ora, la maggior parte della ricerca sui dispositivi ultra-piccoli ha utilizzato interazioni "pi-pi" più forti per unire le molecole, e ha ignorato il molto più debole, ma onnipresente, interazioni di van der Waals. Il presente studio mostra come gli effetti di van der Waals, che sono presenti in ogni concepibile dispositivo su scala molecolare, possono essere sintonizzati per ottimizzare le prestazioni del dispositivo."

I dispositivi si basano su molecole che agiscono come diodi consentendo alla corrente di attraversarli quando azionati con polarizzazione diretta e bloccando la corrente quando la polarizzazione è invertita. I raddrizzatori molecolari sono stati proposti per la prima volta nel 1974, e i progressi nel calcolo scientifico hanno consentito di utilizzare la progettazione a livello molecolare nell'ultimo decennio per sviluppare nuovi materiali organici che forniscano risposte elettriche migliori. Però, l'importanza relativa delle interazioni tra le molecole, la natura del contatto molecola-metallo e l'influenza degli effetti ambientali sono stati messi in discussione. Questa nuova ricerca dimostra che è possibile ottenere notevoli miglioramenti nelle prestazioni del dispositivo controllando le forze di van der Waals che raccolgono le molecole insieme. La semplice modifica del numero di atomi di carbonio di uno fornisce dispositivi significativamente più stabili e più riproducibili che mostrano un miglioramento dell'ordine di grandezza nel rapporto ON/OFF. I risultati della ricerca dimostrano la fattibilità di aumentare le prestazioni del dispositivo creando sigilli più stretti tra le molecole.

"Lo sviluppo dell'elettronica su scala molecolare dipende fortemente dalla simulazione e dal calcolo ad alte prestazioni", ha commentato il prof. Greer. "Il continuo supporto per le infrastrutture di ricerca in Irlanda consente i progressi scientifici che portano a una maggiore interazione con i leader del settore globale, e posiziona l'Irlanda come un fornitore chiave di ricerca con impatto."