Crédito:Instituto de Física de Leiden
Um grupo internacional de cientistas de Leiden, Delft, Bern e Chuo desenvolveram o primeiro diodo molecular comutável, que pode ser ligada e desligada através da umidade. Ele também funciona como um sensor de umidade em nanoescala. O estudo foi publicado em Nature Nanotechnology .
Em 2016, Feringa, Stoddard e Sauvage receberam o Prêmio Nobel pelo desenvolvimento de motores moleculares. Seu trabalho fornece um exemplo espetacular de uma área de pesquisa mais ampla na qual os cientistas estudam moléculas com uma função quimicamente programada. Além de motores, eles também funcionam em diodos moleculares, interruptores e transistores, todos com um comprimento típico de um nanômetro, e, portanto, representam a miniaturização final. Os físicos de Leiden, Sense Jan van der Molen e Huseyin Atesci, junto com Delft, Bern e Chuo (Japão), agora demonstraram o primeiro diodo molecular comutável.
Os cientistas descobriram que a condutividade elétrica da molécula 2-Ru-N depende da umidade. Em condições secas, a mesma quantidade de corrente flui através da molécula sob voltagem positiva ou negativa. Isso muda drasticamente em um ambiente úmido. Nesse caso, apenas uma tensão positiva induz uma corrente. Os pesquisadores criaram um circuito molecular que funciona como uma combinação única de uma chave e um diodo - um diodo molecular comutável ligado e desligado com umidade. A molécula também funciona como um sensor de umidade baseado na estrutura de uma molécula específica.
Superior:baixa umidade. Em tensão zero (c), os níveis de energia do lado esquerdo e direito da molécula simétrica (a) são iguais. Agora, se aplicarmos uma voltagem, os níveis de energia mudarão um em relação ao outro. A distância entre os níveis é independente da tensão positiva (d) ou negativa (e). Portanto, uma corrente igualmente grande fluirá para tensão positiva e negativa. Parte inferior:alta umidade. Como a água reside em um lado da molécula, a simetria entre os níveis de energia quebra já na tensão zero (h). Na tensão positiva (i), os níveis de energia ficam mais próximos, para que uma corrente significativa possa fluir. Contudo, uma tensão negativa (j) aumenta a diferença entre os dois níveis, então a corrente é bloqueada. Crédito:Instituto de Física de Leiden
O minúsculo diodo funciona por meio de uma assimetria causada pelas moléculas de água. Em torno de 60 por cento de umidade, eles se agrupam no lado direito da camada molecular (veja a figura f). Isso causa um desequilíbrio entre os níveis de energia em ambos os lados (h), o que limita fortemente o fluxo de elétrons. Uma voltagem positiva através da molécula eleva o nível de energia do lado direito (i), então o alinhamento dos níveis é restaurado e a corrente flui novamente. Uma tensão negativa, por outro lado, cria uma assimetria ainda maior (j) e leva a uma corrente muito baixa. Sob circunstâncias secas, a simetria da molécula não quebra e o comportamento do diodo desaparece.
Princípio
"Todo o princípio é baseado na simetria, então não se aplica exclusivamente à água, "diz Van der Molen." Em teoria, este conceito também funciona com álcool ou gases tóxicos, por exemplo. "Isso significa que a descoberta não se relaciona apenas à medição da umidade do ar. Se os cientistas encontrarem uma molécula adequada no futuro consistindo de duas metades simétricas, assim como 2-Ru-N, "o princípio permite outros sensores também, como um teste de álcool molecular ou detector de monóxido de carbono.
