Forskare vid universitetet i Konstanz och Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) arbetar med att lagra och bearbeta information om nivån av enskilda molekyler för att skapa minsta möjliga komponenter som kommer att kombineras autonomt för att bilda en krets. Som nyligen rapporterats i den akademiska tidskriften Avancerad vetenskap , forskarna kan slå på strömflödet genom en enda molekyl för första gången med hjälp av ljus.

Dr Artur Erbe, fysiker vid HZDR, är övertygad om att molekylär elektronik i framtiden kommer att öppna dörren för nya och allt mindre - men också mer energieffektiva - komponenter eller sensorer:"Enstaka molekyler är för närvarande de minsta tänkbara komponenter som kan integreras i en processor." Forskare har ännu inte lyckats skräddarsy en molekyl så att den kan leda en elektrisk ström och att denna ström selektivt kan slås på och av som en elektrisk strömbrytare.

Detta kräver en molekyl där en annars stark bindning mellan enskilda atomer löses upp på en plats – och bildas igen precis när energi pumpas in i strukturen. Dr Jannic Wolf, kemist vid universitetet i Konstanz, upptäckte genom komplexa experiment att en viss diaryletenförening är en kvalificerad kandidat. Fördelarna med denna molekyl, ungefär tre nanometer i storlek, är att den roterar väldigt lite när en punkt i dess struktur öppnas och den har två nanotrådar som kan användas som kontakter. Diaryleten är en isolator när den är öppen och blir en ledare när den är stängd. Det uppvisar alltså ett annat fysiskt beteende, ett beteende som forskarna från Konstanz och Dresden kunde visa med säkerhet i många reproducerbara mätningar för första gången i en enda molekyl.

En dator från ett provrör

En speciell egenskap hos denna molekylära elektronik är att de äger rum i en vätska i ett provrör, där molekylerna bringas i kontakt med lösningen. För att fastställa vilka effekter lösningsförhållandena har på växlingsprocessen, det var därför nödvändigt att systematiskt testa olika lösningsmedel. Diaryleten måste fästas i slutet av nanotrådarna till elektroder så att strömmen kan flöda. "Vi utvecklade en nanoteknik vid HZDR som bygger på extremt tunna spetsar av mycket få guldatomer. Vi sträcker ut den omkopplingsbara diaryletenföreningen mellan dem, "förklarar Dr Erbe.

När en ljusstråle sedan träffar molekylen, den växlar från öppet till stängt tillstånd, vilket resulterar i en flytande ström. "För första gången någonsin kunde vi slå på en enda kontaktad molekyl och bevisa att denna exakta molekyl blir en ledare på vilken vi har använt ljusstrålen, "säger Dr Erbe, nöjd med resultaten. "Vi har också karakteriserat den molekylära omkopplingsmekanismen i extremt hög detalj, det är därför jag tror att vi har lyckats ta ett viktigt steg mot en äkta molekylär elektronisk komponent. "

Stänger av, dock, fungerar ännu inte med den kontaktade diaryletenen, men fysikern är säker:"Våra kollegor från HZDR -teorigruppen beräknar hur exakt molekylen måste rotera så att strömmen avbryts. Tillsammans med kemisterna från Konstanz, vi kommer att kunna implementera designen och syntesen för molekylen." det krävs mycket tålamod eftersom det handlar om grundforskning. Diaryletenmolekylkontakten med hjälp av elektronstråle litografi och de efterföljande mätningarna ensamma varade i tre långa år. För ungefär tio år sedan, en arbetsgrupp vid University of Groningen i Nederländerna hade redan lyckats konstruera en switch som kunde avbryta strömmen. Strömbrytaren fungerade också bara i en riktning, men vad som inte kunde bevisas vid den tiden med säkerhet var att förändringen i konduktivitet var bunden till en enda molekyl.

Ett forskningsområde i Dresden är det som kallas självorganisation. "DNA -molekyler är, till exempel, kunna ordna in sig i strukturer utan hjälp utifrån. Om vi ​​lyckas konstruera logiska switchar från självorganiserande molekyler, då kommer framtidens datorer från provrör, "Dr Erbe profeterar. De enorma fördelarna med denna nya teknik är uppenbara:tillverkningsanläggningar för miljarder euro som är nödvändiga för att tillverka dagens mikroelektronik kan vara ett minne blott. Fördelarna ligger inte bara i produktionen utan även i driften av den nya molekylen komponenter, eftersom de båda kommer att kräva mycket lite energi.