Un gruppo di ricerca internazionale, che include il professor Enrique del Barco dell'Università della Florida centrale e Christian A. Nijhuis dell'Università nazionale di Singapore, ha trovato un modo per comprendere e manipolare la transizione delle cariche nelle giunzioni molecolari.

Una giunzione molecolare collega le molecole a due elettrodi metallici, come l'oro. Affinché gli elettroni possano fluire attraverso la giunzione, devono superare una barriera. Quando la temperatura è aumentata, gli elettroni possono saltare oltre la barriera più facilmente.

I trasferimenti di carica dominano molte reazioni chimiche, come quando il ferro arrugginisce e diventa marrone. Il ferro perde elettroni, causando ruggine. Il ferro è un metallo, ma lo stesso vale per le reazioni molecolari, noto come elettrochimica. La scienza alla base del trasferimento di carica molecolare è ben compresa nel campo della chimica, e spiegata dalla cosiddetta Teoria di Marcus.

Secondo questa teoria, le velocità di reazione molecolare possono essere regolate aumentando o diminuendo la temperatura (noto come regime di Marcus diretto). Però, in alcune circostanze, la reazione può essere portata nel regime di Marcus Invertito, dove la reazione diventa insensibile alle variazioni di temperatura, e può saltare senza attraversare una barriera.

I processi di trasferimento di carica stanno diventando sempre più importanti anche nel campo emergente dell'elettronica molecolare, dove gli scienziati mirano alla scala più piccola per i circuiti elettrici, dove i mattoni fondamentali dell'elettronica moderna si basano sulle molecole.

Un esempio di ciò sono i diodi molecolari (dispositivi molecolari in grado di selezionare il flusso di corrente di carica), che sono di importanza cruciale come elementi costitutivi di base dei circuiti molecolari - il futuro dell'alimentazione della nostra elettronica.

Il problema è che gli scienziati hanno visto a lungo i diodi molecolari comportarsi in uno dei due regimi di Marcus in modi che non capivano.

"Abbiamo visto molecole simili comportarsi in modi completamente diversi, e molecole molto diverse che si comportano in modo molto simile senza alcuna ragione apparente, " Del Barco ha detto. "Questo è molto sorprendente in un momento in cui la nostra conoscenza delle giunzioni molecolari è sostanzialmente avanzata. Con due elettrodi e una molecola in mezzo, la carica non scorre; salta. Ma ci sono momenti in cui mostra una barriera, e altre volte no, e questo è ciò che abbiamo lavorato duramente per capire."

Lavorando a stretto contatto con il suo collega a Singapore, il team ha sperimentato campi elettrici e temperatura per vedere come la carica scorre attraverso diversi diodi molecolari.

Finalmente, hanno trovato una molecola che ha permesso loro di esplorare i due regimi di Marcus, modificando a piacimento la sua dipendenza dalla temperatura.

"Questa è una svolta. Se pensiamo a questa complessa molecola come a due diverse unità accoppiate insieme, quando la carica salta in un'unità, genera un campo elettrico dall'altro, e viceversa, " ha spiegato del Barco. "Questo cancello elettrico interno è proporzionale alla quantità di carica nella molecola nel suo insieme, che aumenta con la tensione applicata al dispositivo, e fa transitare il diodo molecolare tra i due regimi di Marcus. Questa è la prima volta che vediamo una tale transizione nell'elettronica molecolare".

A parte le importanti implicazioni di questa scoperta nel campo della chimica, si scopre che questa molecola rappresenta il primo esempio molecolare di un doppio punto quantico, con un potenziale entusiasmante in fisica. Ciò mette in vista i sistemi molecolari nelle tecnologie emergenti come l'informazione quantistica e il calcolo.

I punti quantici si comportano come atomi, ma hanno livelli di energia più accessibili per condurre l'elettricità, rendendo i punti quantici un modo ideale per alimentare computer e altri dispositivi elettronici.

Il silicio è ciò che alimenta i nostri smartphone e computer oggi. Nel futuro, l'elettronica molecolare può offrire funzionalità complementari oltre a ciò che è possibile con il silicio. Il silicio ha dei limiti, e non può andare così piccolo come può l'elettronica molecolare. Del Barco dice in futuro, la tecnologia molecolare sarà utilizzata in combinazione con il silicio, per creare nuove applicazioni elettroniche.

Il lavoro di Del Barco e Nijuhuis, pubblicato in Nanotecnologia della natura , contribuirà a far progredire la comprensione delle tecnologie quantistiche.