Uma equipe de pesquisa internacional, que inclui o professor Enrique del Barco da University of Central Florida e Christian A. Nijhuis da National University of Singapore, encontrou uma maneira de entender e manipular a transição de cargas nas junções moleculares.

Uma junção molecular conecta moléculas a dois eletrodos metálicos, como ouro. Para que os elétrons fluam através da junção, eles precisam superar uma barreira. Quando a temperatura aumenta, os elétrons podem pular a barreira com mais facilidade.

As transferências de carga dominam muitas reações químicas, como quando o ferro enferruja e fica marrom. O ferro perde elétrons, causando ferrugem. O ferro é um metal, mas o mesmo se aplica a reações moleculares, conhecido como eletroquímica. A ciência por trás da transferência de carga molecular é bem compreendida no campo da química, e explicado pela chamada Teoria de Marcus.

De acordo com esta teoria, as velocidades de reação molecular podem ser ajustadas aumentando ou diminuindo a temperatura (conhecido como regime de Marcus direto). Contudo, sob algumas circunstâncias, a reação pode ser levada ao regime de Inverted Marcus, onde a reação se torna insensível às mudanças de temperatura, e pode pular sem cruzar uma barreira.

Os processos de transferência de carga também estão se tornando cada vez mais importantes no campo emergente da eletrônica molecular, onde os cientistas buscam a menor escala para circuitos elétricos, onde os blocos de construção básicos da eletrônica moderna são baseados em moléculas.

Um exemplo disso são os diodos moleculares (dispositivos moleculares capazes de selecionar o fluxo da corrente de carga), que são de importância crucial como os blocos básicos de construção dos circuitos moleculares - o futuro da alimentação de nossa eletrônica.

O problema é que os cientistas há muito tempo veem os diodos moleculares se comportando em qualquer um dos dois regimes de Marcus de maneiras que eles não entendiam.

"Vimos moléculas semelhantes se comportando de maneiras totalmente diferentes, e moléculas muito diferentes se comportando de maneira muito semelhante, sem qualquer razão aparente, "Del Barco disse." Isso é altamente surpreendente em uma época em que nosso conhecimento das junções moleculares avançou substancialmente. Com dois eletrodos e uma molécula entre eles, a carga não flui; ele salta. Mas há momentos em que mostra uma barreira, e outras vezes não, e é isso que temos trabalhado muito para descobrir. "

Trabalhando em estreita colaboração com seu colega em Cingapura, a equipe fez experiências com campos elétricos e temperatura para ver como a carga flui através de diferentes diodos moleculares.

Finalmente, eles encontraram uma molécula que lhes permitiu explorar os dois regimes de Marcus, mudando sua dependência da temperatura à vontade.

"Este é um avanço. Se pensarmos nesta molécula complexa como duas unidades diferentes acopladas, quando a carga salta para uma unidade, ele gera um campo elétrico por outro lado, e vice versa, "Del Barco explicou." Este portão elétrico interno é proporcional à quantidade de carga na molécula como um todo, que aumenta com a tensão aplicada ao dispositivo, e faz com que o diodo molecular transite entre os dois regimes de Marcus. Esta é a primeira vez que vimos tal transição na eletrônica molecular. "

Além das implicações importantes desta descoberta no campo da química, Acontece que esta molécula representa o primeiro exemplo molecular de um ponto quântico duplo, com potencial empolgante em física. Isso coloca em vista sistemas moleculares em tecnologias emergentes, como informação quântica e computação.

Pontos quânticos se comportam como átomos, mas têm níveis de energia mais acessíveis para conduzir eletricidade, tornando os pontos quânticos uma forma ideal de alimentar computadores e outros dispositivos eletrônicos.

O silício é o que alimenta nossos smartphones e computadores hoje. No futuro, a eletrônica molecular pode oferecer funcionalidades complementares além do que é possível com o silício. O silício tem limitações, e não pode ir tão pequeno quanto a eletrônica molecular pode. Del Barco diz que no futuro, a tecnologia molecular será usada em conjunto com o silício, para criar novas aplicações eletrônicas.

O trabalho de Del Barco e Nijuhuis, publicado em Nature Nanotechnology , contribuirá para o avanço da compreensão das tecnologias quânticas.