(PhysOrg.com) - I forskning som förekommer i dagens nummer av tidskriften Naturnanoteknik , Nongjian "NJ" Tao, en forskare vid Biodesign Institute vid Arizona State University, har visat ett smart sätt att kontrollera elektrisk konduktans för en enda molekyl, genom att utnyttja molekylens mekaniska egenskaper.

Sådan kontroll kan så småningom spela en roll vid utformningen av ultratunna elektriska prylar, skapad för att utföra otaliga användbara uppgifter, från biologisk och kemisk avkänning till att förbättra telekommunikation och datorminne.

Tao leder ett forskargrupp som är van vid att hantera utmaningarna med att skapa elektriska enheter av denna storlek, där quirky effekter av kvantvärlden ofta dominerar enhetsbeteende. Som Tao förklarar, en sådan fråga är att definiera och kontrollera den elektriska konduktansen hos en enda molekyl, fäst vid ett par guldelektroder.

”Vissa molekyler har ovanliga elektromekaniska egenskaper, som till skillnad från kiselbaserade material. En molekyl kan också känna igen andra molekyler via specifika interaktioner. ”Dessa unika egenskaper kan erbjuda en enorm funktionell flexibilitet för konstruktörer av nanoskalaenheter.

I den aktuella forskningen, Tao undersöker de elektromekaniska egenskaperna hos enstaka molekyler som ligger mellan ledande elektroder. När en spänning appliceras, ett resulterande strömflöde kan mätas. En särskild typ av molekyl, känd som pentafenylen, användes och dess elektriska konduktans undersöktes.

Taos grupp kunde variera konduktansen så mycket som en storleksordning, helt enkelt genom att ändra molekylens orientering med avseende på elektrodytorna. Specifikt, molekylens lutningsvinkel ändrades, med konduktans stigande när avståndet mellan elektroderna minskade, och når ett maximum när molekylen var klar mellan elektroderna vid 90 grader.

Orsaken till den dramatiska fluktuationen i konduktans har att göra med de så kallade pi-orbitalerna hos elektronerna som utgör molekylerna, och deras interaktion med elektronorbitaler i de bifogade elektroderna. Som Tao noterar, pi -orbitaler kan ses som elektronmoln, som skjuter ut vinkelrätt från vardera sidan av molekylens plan. När lutningsvinkeln för en molekyl som är infångad mellan två elektroder ändras, dessa pi -orbitaler kan komma i kontakt och blandas med elektronorbitaler som finns i guldelektroden - en process som kallas lateral koppling. Denna laterala koppling av orbitaler har effekten att öka konduktansen.

När det gäller pentafenylenmolekylen, den laterala kopplingseffekten uttalades, med konduktansnivåer som ökar upp till 10 gånger när den laterala kopplingen av orbitaler blev större. I kontrast, tetrafenylmolekylen som användes som kontroll för experimenten uppvisade inte lateral koppling och konduktansvärdena förblev konstanta, oavsett lutningsvinkel som appliceras på molekylen. Tao säger att molekyler nu kan utformas för att antingen utnyttja eller minimera sidokopplingseffekter av orbitaler, vilket möjliggör finjustering av konduktansegenskaper, baserat på en applikations specifika krav.

Ytterligare en självkontroll av konduktansresultaten utfördes med användning av en moduleringsmetod. Här, molekylens position skakade i tre rumsliga riktningar och konduktansvärdena observerades. Endast när dessa snabba störningar specifikt förändrade lutningsvinkeln för molekylen i förhållande till elektroden förändrades konduktansvärdena, indikerar att lateral koppling av elektronorbitaler verkligen var ansvarig för effekten. Tao föreslår också att denna moduleringsteknik i stor utsträckning kan tillämpas som en ny metod för att utvärdera konduktansförändringar i molekylskala system.