Ett team av forskare från Tyndall National Institute vid University College Cork och National University of Singapore har designat och tillverkat ultrasmå enheter för energieffektiv elektronik. Genom att ta reda på hur molekyler beter sig i dessa enheter, en tiofaldig ökning av omkopplingseffektiviteten erhölls genom att bara ändra en kolatom. Dessa enheter kan ge nya sätt att bekämpa överhettning i mobiltelefoner och bärbara datorer, och kan också hjälpa till med elektrisk stimulering av vävnadsreparation för sårläkning. Genombrottet skapande av molekylära enheter med mycket kontrollerbara elektriska egenskaper kommer att visas i februarinumret av Naturens nanoteknik . Dr Damien Thompson vid Tyndall National Institute, UCC och ett team av forskare vid National University of Singapore ledd av prof. Chris Nijhuis designade och skapade enheterna, som är baserade på molekyler som fungerar som elektriska ventiler, eller diodlikriktare.

Dr Thompson förklarar "Dessa molekyler är mycket användbara eftersom de tillåter ström att flöda genom dem när de slås PÅ och blockerar strömflödet när de stängs AV. Resultaten av studien visar att det räcker att bara lägga till ett extra kol för att förbättra enhetens prestanda med mer än en faktor tio. Vi följer upp massor av nya idéer baserat på dessa resultat, och vi hoppas i slutändan kunna skapa en rad nya komponenter för elektroniska enheter." Dr. Thompsons datorsimuleringar på atomnivå visade hur molekyler med ett udda antal kolatomer står rakare än molekyler med ett jämnt antal kolatomer. Detta gör att de kan packas ihop närmare. Tättpackade sammansättningar av dessa molekyler bildades på metallelektrodytor av Nijhuis-gruppen i Singapore och visade sig vara anmärkningsvärt fria från defekter. Dessa högkvalitativa enheter kan undertrycka läckströmmar och fungerar därför effektivt och tillförlitligt. enheten kan sättas på och stängas av rent på basis av laddningen och formen på molekylerna, precis som i de biologiska nanomaskinerna som reglerar fotosyntesen, celldelning och vävnadstillväxt.

Tyndall Electronic Theory Groups ledare Prof. Jim Greer förklarar:"Moderna elektroniska enheter som telefoner och surfplattor som tillverkas idag är beroende av små switchar som närmar sig molekylstorlekar. Detta ger nya utmaningar för elektronik men öppnar upp spännande möjligheter för att blanda molekylära egenskaper som kan användas för att Dr. Thompsons arbete är en spännande ny väg att utnyttja molekylär design för att uppnå nya sätt att utföra informationsbehandling." En viktig möjliggörande funktion för elektronik i nanoskala kommer att vara möjligheten att använda molekyler som likriktare och switchar. Genom att demonstrera den rationella designen av molekyler som likriktar ström med ett stort och mycket reproducerbart PÅ/AV-förhållande, studien ger ett nyckelframsteg mot skapandet av tekniskt gångbara ultrasmå enhetskomponenter. Femtio tusen av likriktarmolekylerna uppträdda ände i ände skulle passa över diametern på ett människohår. Framsteg inom datoranvändning, syntes och karakterisering innebär att forskare nu kan förstå och kontrollera material i skalan av atomer och molekyler.

Studien finansierades på irländsk sida av ett Science Foundation Ireland Starting Investigator-pris till Dr. Thompson. Datorsimuleringarna utfördes på Science Foundation Ireland-stödda datorkluster vid Tyndall och på Irish Center for High End Computing. De kombinerade experimenten och simuleringarna visar för första gången att små förbättringar i molekylorientering och packning utlöser förändringar i van der Waals krafter som är tillräckligt stora för att dramatiskt förbättra prestandan hos elektroniska enheter. Dr Thompson förklarar:"Dessa van der Waals-krafter är de svagaste av alla intermolekylära krafter och blir endast betydande när de summeras över stora områden. Därför, ända tills nu, majoriteten av forskningen om ultrasmå enheter har använt starkare "pi-pi"-interaktioner för att hålla ihop molekyler, och har ignorerat det mycket svagare, men allestädes närvarande, van der Waals interaktioner. Den aktuella studien visar hur van der Waals påverkar, som finns i alla tänkbara enheter i molekylär skala, kan ställas in för att optimera enhetens prestanda."

Enheterna är baserade på molekyler som fungerar som dioder genom att låta ström passera genom dem när de drivs med förspänning framåt och blockerande ström när förspänningen är omvänd. Molekylära likriktare föreslogs först 1974, och framsteg inom vetenskaplig beräkning har gjort det möjligt för design på molekylär nivå att användas under det senaste decenniet för att utveckla nya organiska material som ger bättre elektriska svar. Dock, den relativa betydelsen av interaktionerna mellan molekylerna, naturen av kontakten mellan molekyl och metall och påverkan av miljöeffekter har ifrågasatts. Denna nya forskning visar att dramatiska förbättringar av enhetens prestanda kan uppnås genom att kontrollera van der Waals-krafterna som packar ihop molekylerna. Att helt enkelt ändra antalet kolatomer med en ger betydligt mer stabila och mer reproducerbara enheter som uppvisar en förbättring i storleksordningen ON/OFF-förhållande. Forskningsresultaten visar möjligheten att öka enhetens prestanda genom att skapa tätare tätningar mellan molekyler.

"Utvecklingen av elektronik i molekylär skala är starkt beroende av simulering och högpresterande beräkningar", kommenterade prof. Greer. "Det fortsatta stödet för forskningsinfrastruktur i Irland möjliggör de vetenskapliga framstegen som leder till förbättrad interaktion med globala industriledare, och positionerar Irland som en nyckelleverantör av forskning med effekt."