Pequenos circuitos eletrônicos alimentam nossa vida cotidiana, das pequenas câmeras em nossos telefones aos microprocessadores em nossos computadores. Para tornar esses dispositivos ainda menores, cientistas e engenheiros estão projetando componentes de circuitos a partir de moléculas únicas. Não só os circuitos miniaturizados podem oferecer os benefícios do aumento da densidade do dispositivo, Rapidez, e eficiência energética - por exemplo, em eletrônica flexível ou em armazenamento de dados - mas o aproveitamento das propriedades físicas de moléculas específicas pode levar a dispositivos com funcionalidades exclusivas. Contudo, o desenvolvimento de dispositivos nanoeletrônicos práticos a partir de moléculas individuais requer controle preciso sobre o comportamento eletrônico dessas moléculas, e um método confiável para fabricá-los.

Agora, conforme relatado no jornal Nature Electronics , pesquisadores desenvolveram um método para fabricar uma matriz unidimensional de moléculas individuais e controlar com precisão sua estrutura eletrônica. Ajustando cuidadosamente a voltagem aplicada a uma cadeia de moléculas incorporadas em uma camada de carbono unidimensional (grafeno), a equipe liderada por pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) descobriu que poderia controlar se todos, Nenhum, ou algumas das moléculas carregam uma carga elétrica. O padrão de carga resultante poderia então ser deslocado ao longo da cadeia pela manipulação de moléculas individuais no final da cadeia.

"Se você vai construir dispositivos elétricos de moléculas individuais, você precisa de moléculas que tenham funcionalidade útil e você precisa descobrir como organizá-las em um padrão útil. Fizemos essas duas coisas neste trabalho, "disse Michael Crommie, um cientista sênior do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, quem liderou o projeto. A pesquisa faz parte de um programa financiado pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) sobre a caracterização de nanomáquinas funcionais, cujo objetivo geral é compreender as propriedades elétricas e mecânicas das nanoestruturas moleculares, e criar novas nanomáquinas baseadas em moléculas, capazes de converter energia de uma forma para outra em nanoescala.

A principal característica da molécula rica em flúor selecionada pela equipe do Berkeley Lab é sua forte tendência de aceitar elétrons. Para controlar as propriedades eletrônicas de uma cadeia precisamente alinhada de 15 dessas moléculas depositadas em um substrato de grafeno, Crommie, que também é professor de física da UC Berkeley, e seus colegas colocaram um eletrodo metálico sob o grafeno, que também estava separado dele por uma fina camada isolante. Aplicar uma voltagem entre as moléculas e o eletrodo leva os elétrons para dentro ou para fora das moléculas. Dessa forma, as moléculas suportadas por grafeno se comportam um pouco como um capacitor, um componente elétrico usado em um circuito para armazenar e liberar carga. Mas, ao contrário de um capacitor macroscópico "normal", ajustando a voltagem no eletrodo inferior, os pesquisadores puderam controlar quais moléculas ficaram carregadas e quais permaneceram neutras.

Em estudos anteriores de montagens moleculares, as propriedades eletrônicas das moléculas não podiam ser ajustadas e visualizadas em escalas de comprimento atômico. Sem a capacidade de imagem adicional, a relação entre estrutura e função não pode ser totalmente entendida no contexto de dispositivos elétricos. Ao colocar as moléculas em um modelo especialmente projetado no substrato de grafeno desenvolvido nas instalações de ciência em nanoescala da Fundição Molecular do Laboratório Berkeley, Crommie e seus colegas garantiram que as moléculas fossem completamente acessíveis tanto para observação microscópica quanto para manipulação elétrica.

Como esperado, aplicar uma forte voltagem positiva ao eletrodo metálico sob o grafeno que sustenta as moléculas preenchidas com elétrons, deixando toda a matriz molecular em um estado carregado negativamente. Remover ou reverter essa voltagem fez com que todos os elétrons adicionados deixassem as moléculas, retornando todo o array a um estado de carga neutra. Em uma tensão intermediária, Contudo, elétrons preenchem apenas todas as outras moléculas da matriz, criando assim um padrão de carga em "tabuleiro de xadrez". Crommie e sua equipe explicam esse novo comportamento pelo fato de que os elétrons se repelem. Se duas moléculas carregadas ocupassem momentaneamente locais adjacentes, então sua repulsão empurraria um dos elétrons para longe e o forçaria a se estabelecer em um local mais abaixo na linha molecular.

"Podemos esvaziar todas as moléculas de carga, ou todos cheios, ou alternando. Chamamos isso de padrão de carga coletivo porque é determinado pela repulsão elétron-elétron em toda a estrutura, "disse Crommie.

Os cálculos sugeriram que em um arranjo de moléculas com cargas alternadas, a molécula terminal no arranjo deveria sempre conter um elétron extra, uma vez que essa molécula não tem um segundo vizinho para causar repulsão. Para investigar experimentalmente este tipo de comportamento, a equipe do Berkeley Lab removeu a molécula final de uma série de moléculas que tinham cargas alternadas. Eles descobriram que o padrão de carga original havia mudado em uma molécula:os locais que haviam sido carregados tornaram-se neutros e vice-versa. Os pesquisadores concluíram que antes que a molécula terminal carregada fosse removida, a molécula adjacente a ele deve ter sido neutra. Em sua nova posição no final da matriz, a antiga segunda molécula então ficou carregada. Para manter o padrão alternado entre moléculas carregadas e não carregadas, todo o padrão de carga teve que mudar em uma molécula.

Se a carga de cada molécula for considerada um pouco de informação, então, a remoção da molécula final faz com que todo o padrão de informação mude em uma posição. Esse comportamento imita um registrador de deslocamento eletrônico em um circuito digital e fornece novas possibilidades para a transmissão de informações de uma região de um dispositivo molecular para outra. Mover uma molécula em uma das extremidades da matriz pode servir como ligar ou desligar em algum outro lugar do dispositivo, fornecendo funcionalidade útil para um circuito lógico futuro.

"Uma coisa que achamos muito interessante sobre esse resultado é que fomos capazes de alterar a carga eletrônica e, portanto, as propriedades das moléculas de muito longe. Esse nível de controle é algo novo, "disse Crommie.

Com sua matriz molecular, os pesquisadores alcançaram o objetivo de criar uma estrutura com funcionalidades muito específicas; isso é, uma estrutura cujas cargas moleculares podem ser finamente ajustadas entre diferentes estados possíveis pela aplicação de uma voltagem. Mudar a carga das moléculas causa uma mudança em seu comportamento eletrônico e, como resultado, na funcionalidade de todo o dispositivo. Este trabalho surgiu de um esforço do DOE para construir nanoestruturas moleculares precisas com funcionalidade eletromecânica bem definida.

A técnica da equipe do Berkeley Lab para controlar os padrões de carga molecular pode levar a novos projetos de componentes eletrônicos em nanoescala, incluindo transistores e portas lógicas. A técnica também pode ser generalizada para outros materiais e incorporada em redes moleculares mais complexas. Uma possibilidade é ajustar as moléculas para criar padrões de carga mais complexos. Por exemplo, substituir um átomo por outro em uma molécula pode alterar as propriedades da molécula. Colocar essas moléculas alteradas na matriz pode criar uma nova funcionalidade. Com base nesses resultados, os pesquisadores planejam explorar a funcionalidade que surge de novas variações dentro de matrizes moleculares, e também como eles podem ser potencialmente usados ​​como minúsculos componentes de circuito. Em última análise, eles planejam incorporar essas estruturas em dispositivos em nanoescala mais práticos.