Individuella molekyler har använts för att skapa elektriska komponenter som motstånd, transistorer och dioder, som efterliknar egenskaperna hos välkända halvledare. Men enligt Nongjian (NJ) Tao, en forskare vid Biodesign Institute® vid Arizona State University, unika egenskaper som finns i enstaka molekyler kan också tillåta smarta designers att producera nya enheter vars beteende faller utanför prestanda som observeras i konventionell elektronik.

I forskning som förekommer i dagens nummer av Naturnanoteknik , Tao beskriver en metod för mekanisk styrning av en enda molekyls geometri, belägen i en korsning mellan ett par guldelektroder som bildar en enkel krets. Manipulationerna producerade mer än tiofaldig ökning av konduktiviteten.

Det ovanliga, ofta kan icke-intuitiva egenskaper hos enstaka molekyler så småningom introduceras i ett brett spektrum av mikroelektronik, lämplig för applikationer inklusive biologisk och kemisk avkänning; elektroniska och mekaniska anordningar.

Delikata molekylära manipulationer som kräver tålamod och finess är rutin för Tao, vars forskning vid Biodesigns centrum för bioelektronik och biosensorer har inkluderat arbete med molekylära dioder, grafenbeteende och molekylär bildteknik. Ändå, han blev förvånad över resultatet som beskrivs i det aktuella dokumentet:"Om du har en molekyl fäst vid elektroder, det kan töjas som ett gummiband, "säger han." Om det blir längre, de flesta tenderar att tro att konduktiviteten minskar. En längre tråd är mindre ledande än en kortare tråd. "

Verkligen, minskande konduktivitet genom en molekyl observeras vanligen när avståndet mellan elektroderna fästa vid dess yta ökar och molekylen blir långsträckt. Men enligt Tao, om du sträcker ut molekylen tillräckligt, något oväntat händer:konduktansen ökar - med en enorm mängd. "Vi ser minst 10 gånger större konduktivitet, helt enkelt genom att dra i molekylen. "

Som Tao förklarar, det spännande resultatet är en biprodukt av kvantmekanikens lagar, som dikterar materiens beteende i de minsta skalorna:"Ledningsförmågan hos en enda molekyl är inte bara omvänt proportionell mot längden. Det beror på energinivåjusteringen."

I elektrodernas metallledningar, elektroner kan röra sig fritt men när de kommer till ett gränssnitt - i det här fallet, en molekyl som sitter i korsningen mellan elektroderna - de måste övervinna en energibarriär. Höjden på denna energibarriär är avgörande för hur lätt elektroner kan passera genom molekylen. Genom att applicera en mekanisk kraft på molekylen, barriären sänks, förbättra konduktansen.

"Teoretiskt sett människor har tänkt på detta som en möjlighet, men detta är en demonstration av att det verkligen händer, "Tao säger." Om du sträcker ut molekylen och geometriskt ökar längden, det sänker energiskt barriären så att elektroner lätt kan gå igenom. Om du tänker optiskt, det blir mer transparent för elektroner. "

Anledningen till detta har att göra med en egenskap som kallas kraftinducerad resonant tunnel. Detta inträffar när molekylenergin rör sig närmare elektrodernas Fermi -nivå - det vill säga mot regionen med optimal konduktans. (Se figur 1) Således när molekylen sträcks, det orsakar en minskning av tunnelsystemets energibarriär.

För experimenten, Taos grupp använde 1, 4'-bensenditiol, den mest studerade enheten för molekylär elektronik. Ytterligare experiment visade att transporten av elektroner genom molekylen genomgick en motsvarande minskning när avståndet mellan elektroderna minskades, orsakar molekylens geometri att skifta från ett sträckt tillstånd till ett avslappnat eller pressat tillstånd. "Vi måste göra detta tusentals gånger för att vara säker på att effekten är robust och reproducerbar."

Förutom upptäcktens praktiska betydelse, de nya uppgifterna visar nära överensstämmelse med teoretiska modeller för molekylär konduktans, som ofta hade varit i strid med experimentella värden, av storleksordningar.

Tao betonar att enstaka molekyler är övertygande kandidater för en ny typ av elektroniska enheter, just för att de kan uppvisa mycket olika egenskaper än de som observerats i konventionella halvledare.

Mikroelektromekaniska system eller MEMS är bara en domän där de mångsidiga egenskaperna hos enstaka molekyler sannolikt kommer att göra sitt avtryck. Dessa diminutiva skapelser representerar en industri på 40 miljarder dollar per år och inkluderar sådana innovationer som optiska switchar, gyroskop för bilar, lab-on-chip biomedicinska applikationer och mikroelektronik för mobila enheter.

"I framtiden, när människor designar enheter med hjälp av molekyler, de kommer att ha en ny verktygslåda som de kan använda. "