Piccoli circuiti elettronici alimentano la nostra vita quotidiana, dalle minuscole fotocamere dei nostri telefoni ai microprocessori dei nostri computer. Per rendere questi dispositivi ancora più piccoli, scienziati e ingegneri stanno progettando componenti di circuiti a partire da singole molecole. Non solo i circuiti miniaturizzati possono offrire i vantaggi di una maggiore densità dei dispositivi, velocità, e l'efficienza energetica, ad esempio nell'elettronica flessibile o nell'archiviazione dei dati, ma sfruttare le proprietà fisiche di molecole specifiche potrebbe portare a dispositivi con funzionalità uniche. Però, lo sviluppo di dispositivi nanoelettronici pratici da singole molecole richiede un controllo preciso sul comportamento elettronico di tali molecole, e un metodo affidabile con cui fabbricarli.

Ora, come riportato sulla rivista Elettronica della natura , i ricercatori hanno sviluppato un metodo per fabbricare una serie unidimensionale di singole molecole e per controllarne con precisione la struttura elettronica. Regolando attentamente la tensione applicata a una catena di molecole incorporate in uno strato di carbonio unidimensionale (grafene), il team guidato dai ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ha scoperto di poter controllare se tutti, nessuno, o alcune delle molecole portano una carica elettrica. Il modello di carica risultante potrebbe quindi essere spostato lungo la catena manipolando singole molecole alla fine della catena.

"Se hai intenzione di costruire dispositivi elettrici da singole molecole, hai bisogno di molecole che abbiano funzionalità utili e devi capire come disporle in uno schema utile. Abbiamo fatto entrambe le cose in questo lavoro, " ha detto Michael Crommie, uno scienziato senior della facoltà nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, che ha guidato il progetto. La ricerca fa parte di un programma finanziato dall'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) sulla caratterizzazione delle nanomacchine funzionali, il cui obiettivo principale è comprendere le proprietà elettriche e meccaniche delle nanostrutture molecolari, e creare nuove nanomacchine basate su molecole in grado di convertire l'energia da una forma all'altra su scala nanometrica.

Il tratto chiave della molecola ricca di fluoro selezionata dal team del Berkeley Lab è la sua forte tendenza ad accettare gli elettroni. Per controllare le proprietà elettroniche di una catena allineata con precisione di 15 di tali molecole depositate su un substrato di grafene, Crommia, che è anche professore di fisica all'Università di Berkeley, e i suoi colleghi hanno posizionato un elettrodo metallico sotto il grafene, anch'esso separato da esso da un sottile strato isolante. L'applicazione di una tensione tra le molecole e l'elettrodo spinge gli elettroni dentro o fuori le molecole. In quel modo, le molecole supportate dal grafene si comportano in qualche modo come un condensatore, un componente elettrico utilizzato in un circuito per immagazzinare e rilasciare la carica. Ma, a differenza di un condensatore macroscopico "normale", sintonizzando la tensione sull'elettrodo inferiore i ricercatori hanno potuto controllare quali molecole si sono caricate e quali sono rimaste neutre.

In precedenti studi sugli assemblaggi molecolari, le proprietà elettroniche delle molecole non potevano essere sia sintonizzate che visualizzate su scale di lunghezza atomica. Senza la capacità di imaging aggiuntiva, la relazione tra struttura e funzione non può essere compresa appieno nel contesto dei dispositivi elettrici. Posizionando le molecole in un modello appositamente progettato sul substrato di grafene sviluppato presso la struttura per utenti scientifici su nanoscala della fonderia molecolare del Berkeley Lab, Crommie e i suoi colleghi si sono assicurati che le molecole fossero completamente accessibili sia all'osservazione al microscopio che alla manipolazione elettrica.

Come previsto, applicando una forte tensione positiva all'elettrodo metallico sotto il grafene che sostiene le molecole le riempie di elettroni, lasciando l'intero array molecolare in uno stato di carica negativa. La rimozione o l'inversione di quella tensione ha fatto sì che tutti gli elettroni aggiunti lasciassero le molecole, riportando l'intero array in uno stato di carica neutra. Ad una tensione intermedia, però, gli elettroni riempiono solo ogni altra molecola nell'array, creando così un modello di carica "a scacchiera". Crommie e il suo team spiegano questo nuovo comportamento con il fatto che gli elettroni si respingono a vicenda. Se due molecole cariche dovessero occupare momentaneamente siti adiacenti, quindi la loro repulsione spingerebbe via uno degli elettroni e lo costringerebbe a depositarsi un sito più in basso nella fila molecolare.

"Possiamo svuotare di carica tutte le molecole, o tutto pieno, o alternato. Lo chiamiamo schema di carica collettiva perché è determinato dalla repulsione elettrone-elettrone in tutta la struttura, " ha detto Crommia.

I calcoli hanno suggerito che in un array di molecole con cariche alternate la molecola terminale nell'array dovrebbe sempre contenere un elettrone in più poiché quella molecola non ha un secondo vicino per causare repulsione. Per indagare sperimentalmente questo tipo di comportamento, il team del Berkeley Lab ha rimosso la molecola finale in una serie di molecole che avevano cariche alternate. Hanno scoperto che il modello di carica originale si era spostato di una molecola:i siti che erano stati caricati erano diventati neutri e viceversa. I ricercatori hanno concluso che prima che la molecola terminale carica fosse rimossa, la molecola adiacente doveva essere neutra. Nella sua nuova posizione alla fine dell'array, l'ex seconda molecola poi si è caricata. Per mantenere lo schema alternato tra molecole cariche e non cariche, l'intero schema di carica doveva spostarsi di una molecola.

Se la carica di ogni molecola è pensata come un po' di informazione, quindi la rimozione della molecola finale fa sì che l'intero schema di informazioni si sposti di una posizione. Tale comportamento imita un registro a scorrimento elettronico in un circuito digitale e fornisce nuove possibilità per trasmettere informazioni da una regione di un dispositivo molecolare a un'altra. Spostare una molecola a un'estremità dell'array potrebbe servire per accendere o spegnere un interruttore da qualche altra parte nel dispositivo, fornendo funzionalità utili per un futuro circuito logico.

"Una cosa che abbiamo trovato davvero interessante di questo risultato è che siamo stati in grado di alterare la carica elettronica e quindi le proprietà delle molecole da molto lontano. Quel livello di controllo è qualcosa di nuovo, " ha detto Crommia.

Con la loro matrice molecolare i ricercatori hanno raggiunto l'obiettivo di creare una struttura con funzionalità molto specifiche; questo è, una struttura le cui cariche molecolari possono essere finemente sintonizzate tra diversi possibili stati applicando una tensione. La modifica della carica delle molecole provoca un cambiamento nel loro comportamento elettronico e, di conseguenza, nella funzionalità dell'intero dispositivo. Questo lavoro è scaturito da uno sforzo del DOE per costruire nanostrutture molecolari precise con funzionalità elettromeccanica ben definite.

La tecnica del team del Berkeley Lab per il controllo dei modelli di carica molecolare potrebbe portare a nuovi progetti per componenti elettronici su scala nanometrica, inclusi transistor e porte logiche. La tecnica potrebbe anche essere generalizzata ad altri materiali e incorporata in reti molecolari più complesse. Una possibilità è quella di sintonizzare le molecole per creare modelli di carica più complessi. Per esempio, sostituire un atomo con un altro in una molecola può modificare le proprietà della molecola. Il posizionamento di tali molecole alterate nell'array potrebbe creare nuove funzionalità. Sulla base di questi risultati i ricercatori intendono esplorare la funzionalità che deriva da nuove variazioni all'interno di array molecolari, nonché come possono essere potenzialmente utilizzati come minuscoli componenti di circuiti. In definitiva, hanno in programma di incorporare queste strutture in dispositivi più pratici su nanoscala.