Moléculas individuais têm sido usadas para criar componentes elétricos como resistores, transistores e diodos, que imitam as propriedades de semicondutores familiares. Mas de acordo com Nongjian (NJ) Tao, um pesquisador do Biodesign Institute® da Arizona State University, propriedades únicas inerentes a moléculas individuais também podem permitir que designers inteligentes produzam novos dispositivos cujo comportamento está fora do desempenho observado na eletrônica convencional.

Na pesquisa que aparece na edição de hoje da Nature Nanotechnology , Tao descreve um método para controlar mecanicamente a geometria de uma única molécula, situado em uma junção entre um par de eletrodos de ouro que formam um circuito simples. As manipulações produziram um aumento de mais de dez vezes na condutividade.

O incomum, muitas vezes as características não intuitivas de moléculas individuais podem eventualmente ser introduzidas em uma ampla gama de microeletrônica, adequado para aplicações, incluindo detecção biológica e química; dispositivos eletrônicos e mecânicos.

Manipulações moleculares delicadas que requerem paciência e sutileza são rotina para Tao, cujas pesquisas no Centro de Bioeletrônica e Biossensores da Biodesign incluíram trabalhos em diodos moleculares, comportamento do grafeno e técnicas de imagem molecular. No entanto, ele ficou surpreso com o resultado descrito no artigo atual:"Se você tem uma molécula ligada a eletrodos, pode esticar como um elástico, "diz ele." Se ficar mais longo, a maioria das pessoas tende a pensar que a condutividade diminuirá. Um fio mais longo é menos condutor do que um fio mais curto. "

De fato, a diminuição da condutividade através de uma molécula é comumente observada quando a distância entre os eletrodos fixados em sua superfície é aumentada e a molécula se torna alongada. Mas de acordo com Tao, se você esticar a molécula o suficiente, algo inesperado acontece:a condutância aumenta - em uma quantidade enorme. "Vemos condutividade pelo menos 10 vezes maior, simplesmente puxando a molécula. "

Como Tao explica, o resultado intrigante é um subproduto das leis da mecânica quântica, que ditam o comportamento da matéria nas escalas mais ínfimas:"A condutividade de uma única molécula não é simplesmente inversamente proporcional ao comprimento. Depende do alinhamento do nível de energia."

Nos terminais de metal dos eletrodos, elétrons podem se mover livremente, mas quando chegam a uma interface - neste caso, uma molécula que fica na junção entre os eletrodos - eles precisam superar uma barreira de energia. A altura dessa barreira de energia é crítica para a rapidez com que os elétrons podem passar pela molécula. Ao aplicar uma força mecânica à molécula, a barreira é baixada, melhorando a condutância.

"Teoricamente, as pessoas pensaram nisso como uma possibilidade, mas esta é uma demonstração de que realmente acontece, "Tao diz." Se você esticar a molécula e aumentar geometricamente o comprimento, ele abaixa energeticamente a barreira para que os elétrons possam passar facilmente. Se você pensa em termos óticos, torna-se mais transparente para os elétrons. "

A razão para isso tem a ver com uma propriedade conhecida como tunelamento ressonante induzido por força. Isso ocorre quando a energia molecular se move para mais perto do nível de Fermi dos eletrodos, ou seja, em direção à região de condutância ótima. (Veja a figura 1) Assim, conforme a molécula é esticada, causa uma diminuição na barreira de energia de tunelamento.

Para os experimentos, O grupo de Tao usou 1, 4'-benzeneditiol, a entidade mais amplamente estudada para a eletrônica molecular. Experimentos posteriores demonstraram que o transporte de elétrons através da molécula sofreu uma diminuição correspondente à medida que a distância entre os eletrodos foi reduzida, fazendo com que a geometria da molécula mude de uma condição esticada para um estado relaxado ou comprimido. "Temos que fazer isso milhares de vezes para ter certeza de que o efeito é robusto e reproduzível."

Além da importância prática da descoberta, os novos dados mostram estreita concordância com modelos teóricos de condutância molecular, que muitas vezes estava em desacordo com os valores experimentais, por ordens de magnitude.

Tao enfatiza que moléculas individuais são candidatas atraentes para novos tipos de dispositivos eletrônicos, precisamente porque eles podem exibir propriedades muito diferentes daquelas observadas em semicondutores convencionais.

Os sistemas microeletromecânicos ou MEMS são apenas um domínio em que as propriedades versáteis de moléculas individuais provavelmente deixarão sua marca. Essas criações diminutas representam uma indústria de US $ 40 bilhões por ano e incluem inovações como interruptores ópticos, giroscópios para carros, aplicações biomédicas lab-on-chip e microeletrônica para dispositivos móveis.

"No futuro, quando as pessoas projetam dispositivos usando moléculas, eles terão uma nova caixa de ferramentas que podem usar. "