À medida que nossos dispositivos ficam cada vez menores, o uso de moléculas como componentes principais em circuitos eletrônicos está se tornando cada vez mais crítico. Nos últimos 10 anos, os pesquisadores tentaram usar moléculas únicas como fios condutores por causa de sua pequena escala, características eletrônicas distintas e alta sintonização. Mas na maioria dos fios moleculares, à medida que o comprimento do fio aumenta, a eficiência pela qual os elétrons são transmitidos através do fio diminui exponencialmente. Essa limitação tornou especialmente desafiador construir um longo fio molecular – muito mais longo que um nanômetro – que realmente conduz bem a eletricidade.
Pesquisadores da Columbia anunciaram hoje que construíram um nanofio com 2,6 nanômetros de comprimento, que mostra um aumento incomum na condutância à medida que o comprimento do fio aumenta e tem propriedades quase metálicas. Sua excelente condutividade é uma grande promessa para o campo da eletrônica molecular, permitindo que os dispositivos eletrônicos se tornem ainda mais pequenos. O estudo foi publicado hoje na Nature Chemistry .

Projetos de fios moleculares

A equipe de pesquisadores da Columbia Engineering e do departamento de química da Columbia, juntamente com teóricos da Alemanha e químicos sintéticos na China, explorou projetos de fios moleculares que suportariam elétrons desemparelhados em cada extremidade, pois esses fios formariam análogos unidimensionais para isoladores topológicos ( TI) que são altamente condutores em suas bordas, mas isolantes no centro.

Enquanto o TI 1D mais simples é feito apenas de átomos de carbono, onde os carbonos terminais suportam os estados radicais – elétrons desemparelhados, essas moléculas geralmente são muito instáveis. O carbono não gosta de ter elétrons desemparelhados. A substituição dos carbonos terminais, onde estão os radicais, por nitrogênio aumenta a estabilidade das moléculas. “Isso torna os TIs 1D feitos com cadeias de carbono, mas terminados com nitrogênio, muito mais estáveis ​​e podemos trabalhar com eles à temperatura ambiente em condições ambientais”, disse o co-líder da equipe Latha Venkataraman, Lawrence Gussman Professor de Física Aplicada e professor de química.

Quebrando a regra do decaimento exponencial

Por meio de uma combinação de projeto químico e experimentos, o grupo criou uma série de TIs unidimensionais e quebrou com sucesso a regra do decaimento exponencial, uma fórmula para o processo de uma quantidade decrescente a uma taxa proporcional ao seu valor atual. Usando os dois estados de borda radical, os pesquisadores geraram um caminho altamente condutor através das moléculas e alcançaram um "decaimento de condutância reversa", ou seja, um sistema que mostra uma condutância crescente com o aumento do comprimento do fio.

“O que é realmente empolgante é que nosso fio tinha uma condutância na mesma escala que a de um ponto de contato metal-metal de ouro, sugerindo que a própria molécula mostra propriedades quase metálicas”, disse Venkataraman. “Este trabalho demonstra que as moléculas orgânicas podem se comportar como metais no nível de uma única molécula, em contraste com o que foi feito no passado, onde elas eram principalmente fracamente condutoras”.

Os pesquisadores projetaram e sintetizaram uma série molecular de bis(triarilaminas), que exibiu propriedades de um TI unidimensional por oxidação química. Eles fizeram medições de condutância de junções de moléculas únicas onde as moléculas foram conectadas aos eletrodos de fonte e dreno. Por meio das medições, a equipe mostrou que as moléculas mais longas tinham uma condutância mais alta, o que funcionou até que o fio tivesse mais de 2,5 nanômetros, o diâmetro de uma fita de DNA humano.

Lançando as bases para mais avanços tecnológicos em eletrônica molecular

"O laboratório Venkataraman está sempre procurando entender a interação da física, química e engenharia de dispositivos eletrônicos de molécula única", acrescentou Liang Li, Ph.D. estudante no laboratório e co-primeiro autor do artigo. "Assim, a criação desses fios específicos lançará as bases para grandes avanços científicos na compreensão do transporte por meio desses novos sistemas. Estamos muito animados com nossas descobertas porque elas esclarecem não apenas a física fundamental, mas também as possíveis aplicações no futuro".

Atualmente, o grupo está desenvolvendo novos projetos para construir fios moleculares ainda mais longos e altamente condutores. + Explorar mais

Novos fios moleculares para dispositivos eletrônicos de molécula única