L'elettronica molecolare è un fiorente campo di ricerca che mira a integrare singole molecole come elementi attivi nei dispositivi elettronici. Ottenere un quadro completo delle proprietà di trasporto di carica nelle giunzioni molecolari è il primo passo verso la realizzazione di funzionalità su scala nanometrica. I ricercatori della Delft University of Technology hanno ora studiato il trasporto di carica in un nuovo sistema, la giunzione a rottura meccanica del grafene, che per la prima volta ha permesso l'osservazione sperimentale diretta degli effetti di interferenza quantistica nel grafene a doppio strato in funzione degli spostamenti nanometrici. Questa nuova piattaforma potrebbe essere potenzialmente utilizzata per il fingerprinting elettronico di biomolecole, dal DNA alle proteine, che a sua volta può avere importanti implicazioni per la diagnosi e il trattamento delle malattie.

Nanogap che separano due elettrodi sono previsti come base per la prossima generazione di tecnologie di rilevamento. L'obiettivo è sfruttare il tunneling elettronico quantistico come principio di rilevamento, in cui viene direttamente sondata la struttura elettronica della molecola bersaglio intrappolata nel nanogap. Grafene, un monostrato di atomi di carbonio in un reticolo esagonale, combina molti dei requisiti per un materiale per sensori elettrici:alta conducibilità, magrezza atomica, flessibilità, inerzia chimica in aria e liquido, e resistenza meccanica, nonché la sua compatibilità con le tecniche di modellazione litografica standard.

Al Kavli Institute of Nanoscience di Delft, un gruppo di ricerca sta sviluppando robuste giunzioni di rottura a controllo meccanico (MCBJ) a base di grafene, che consentono la formazione di un gap di tunneling regolabile in dimensioni su scala sub-nanometrica, cioè la dimensione può essere adattata alla dimensione della biomolecola da sondare.

Attenzione al divario

L'esperimento MCBJ è concettualmente molto semplice. Il dispositivo è costituito da una struttura a farfalla in grafene supportata su un substrato metallico flessibile. Il substrato viene gradualmente piegato, causando l'allungamento del grafene. Questo ponte di grafene alla fine si rompe e si forma un gap nanoscopico. È importante sottolineare che la conduttanza di giunzione può essere commutata reversibilmente di quasi sei ordini di grandezza durante 1, 000 cicli di apertura-chiusura; cioè funge da interruttore elettrico che può essere acceso/spento meccanicamente. L'imponente stabilità meccanica consente la raccolta di dati statisticamente significativi, catturare vari comportamenti delle giunzioni nel tempo e in ambienti diversi (ad esempio diversi orientamenti molecolari, in aria, vuoto, liquido).

In collaborazione con il gruppo di teoria guidato dal Prof Jaime Ferrer presso l'Università di Oviedo (Spagna), i ricercatori hanno anche confermato l'interferenza delle onde elettroniche durante le misurazioni in aria a temperatura ambiente. I risultati sono un passo importante sia per la fisica fondamentale che per le future applicazioni del grafene come interruttore elettromeccanico o piattaforma di biorilevamento.

Impronte elettroniche

Il grafene MCBJ è un dispositivo unico che è da un lato un sistema modello per studiare il trasporto quantistico a temperatura ambiente, e dall'altro può essere un potente strumento di rilevamento per sondare biomolecole ad altissima risoluzione. I ricercatori stanno attualmente esplorando il potenziale di questa piattaforma per il fingerprinting elettronico delle biomolecole, inclusi amminoacidi e peptidi corti:lo scopo è discriminare molecole con leggera differenza chimica in base alla loro struttura elettronica, che può essere "letta" quando le molecole sono intrappolate nel nanogap. Ciò fornirebbe i primi passi verso il biorilevamento "basato su tunnel" con grafene, una visione avvincente presso i Dipartimenti di Quantistica e Bionanoscienza della TU Delft.

La ricerca è stata in parte finanziata dalla Graphene Flagship.