Credito:Istituto di fisica di Leiden
Un gruppo internazionale di scienziati di Leida, Delft, Bern e Chuo hanno sviluppato il primo diodo molecolare commutabile, che può essere acceso e spento attraverso l'umidità. Funziona anche come sensore di umidità su scala nanometrica. Lo studio è stato pubblicato su Nanotecnologia della natura .
Nel 2016, Feringa, Stoddard e Sauvage hanno ricevuto il Premio Nobel per lo sviluppo di motori molecolari. Il loro lavoro fornisce un esempio spettacolare di un'area di ricerca più ampia in cui gli scienziati studiano molecole con una funzione chimicamente programmata. Oltre ai motori, lavorano anche su diodi molecolari, interruttori e transistor, il tutto con una lunghezza tipica di un nanometro, e quindi rappresentano l'ultima miniaturizzazione. I fisici di Leida Sense Jan van der Molen e Huseyin Atesci, insieme a Delft, Berna e Chuo (Giappone), hanno ora dimostrato il primo diodo molecolare commutabile.
Gli scienziati hanno scoperto che la conduttività elettrica della molecola 2-Ru-N dipende dall'umidità. In condizioni asciutte, la stessa quantità di corrente scorre attraverso la molecola sotto tensione positiva o negativa. Questo cambia drasticamente in un ambiente umido. In quel caso, solo una tensione positiva induce una corrente. I ricercatori hanno creato un circuito molecolare che funziona come una combinazione unica di un interruttore e un diodo, un diodo molecolare commutabile acceso e spento con l'umidità. La molecola funziona anche come sensore di umidità in base alla struttura di una specifica molecola.
In alto:bassa umidità. A tensione zero (c), i livelli di energia del lato sinistro e destro della molecola simmetrica (a) sono uguali. Ora se applichiamo una tensione, i livelli di energia si sposteranno l'uno rispetto all'altro. La distanza tra i livelli è indipendente dalla tensione positiva (d) o negativa (e). Perciò, una corrente ugualmente grande scorrerà per la tensione positiva e negativa. Fondo:alta umidità. Poiché l'acqua risiede su un lato della molecola, la simmetria tra i livelli energetici si interrompe già a tensione zero (h). A tensione positiva (i), i livelli di energia si avvicinano, quindi una corrente significativa può fluire. Però, una tensione negativa (j) aumenta la differenza tra i due livelli, quindi la corrente è bloccata. Credito:Istituto di fisica di Leiden
Il minuscolo diodo funziona tramite un'asimmetria causata dalle molecole d'acqua. A circa il 60% di umidità, si ammassano insieme sul lato destro dello strato molecolare (vedi figura f). Ciò provoca uno squilibrio tra i livelli di energia su entrambi i lati (h), che limita fortemente il flusso di elettroni. Una tensione positiva attraverso la molecola aumenta il livello di energia del lato destro (i), quindi l'allineamento dei livelli viene ripristinato e la corrente torna a scorrere. Una tensione negativa d'altra parte crea un'asimmetria ancora maggiore (j) e porta a una corrente molto bassa. In condizioni aride, la simmetria della molecola non si rompe e il comportamento del diodo scompare.
Principio
"L'intero principio si basa sulla simmetria, quindi non si applica esclusivamente all'acqua, " dice Van der Molen. "In teoria questo concetto funziona anche con alcol o gas tossici, per esempio." Ciò significa che la scoperta non si riferisce solo alla misurazione dell'umidità nell'aria. Se gli scienziati troveranno in futuro una molecola adatta composta da due metà simmetriche, proprio come 2-Ru-N, " il principio abilita anche altri sensori, come un test dell'alcol molecolare o un rilevatore di monossido di carbonio.
