Manipulerende molekyler til en ny race af elektronik

(PhysOrg.com) - I forskning, der forekommer i dagens nummer af tidsskriftet Naturnanoteknologi , Nongjian "NJ" Tao, en forsker ved Biodesign Institute ved Arizona State University, har vist en smart måde at kontrollere elektrisk ledningsevne af et enkelt molekyle, ved at udnytte molekylets mekaniske egenskaber.

Sådan kontrol kan i sidste ende spille en rolle i designet af ultra-små elektriske gadgets, skabt til at udføre utallige nyttige opgaver, fra biologisk og kemisk sansning til forbedring af telekommunikation og computerhukommelse.

Tao leder et forskerhold, der plejer at håndtere de udfordringer, der er forbundet med at skabe elektriske enheder af denne størrelse, hvor sære virkninger af kvanteverdenen ofte dominerer enhedsadfærd. Som Tao forklarer, et sådant spørgsmål er at definere og kontrollere den elektriske konduktans af et enkelt molekyle, fastgjort til et par guldelektroder.

”Nogle molekyler har usædvanlige elektromekaniske egenskaber, der er i modsætning til siliciumbaserede materialer. Et molekyle kan også genkende andre molekyler via specifikke interaktioner. ”Disse unikke egenskaber kan tilbyde en enorm funktionel fleksibilitet til designere af nanoskalaenheder.

I den aktuelle forskning, Tao undersøger de elektromekaniske egenskaber af enkeltmolekyler klemt mellem ledende elektroder. Når der spændes, en resulterende strøm kan måles. En bestemt type molekyle, kendt som pentaphenylen, blev brugt og dens elektriske konduktans undersøgt.

Taos gruppe var i stand til at variere konduktansen med så meget som en størrelsesorden, simpelthen ved at ændre molekylets orientering i forhold til elektrodeoverfladerne. Specifikt, molekylets hældningsvinkel blev ændret, med konduktans stigende, da afstanden mellem elektroderne faldt, og når et maksimum, når molekylet var klar mellem elektroderne ved 90 grader.

Årsagen til den dramatiske svingning i konduktans har at gøre med de såkaldte pi-orbitaler af elektronerne, der udgør molekylerne, og deres interaktion med elektronorbitaler i de vedhæftede elektroder. Som Tao bemærker, pi orbitaler kan betragtes som elektronskyer, stikker vinkelret ud fra hver side af molekylets plan. Når hældningsvinklen for et molekyle fanget mellem to elektroder ændres, disse pi orbitaler kan komme i kontakt og blande sig med elektronorbitaler indeholdt i guldelektroden - en proces kendt som lateral kobling. Denne laterale kobling af orbitaler har den virkning, at konduktans øges.

I tilfælde af pentaphenylenmolekylet, den laterale koblingseffekt blev udtalt, med konduktansniveauer, der stiger op til 10 gange, efterhånden som den laterale kobling af orbitaler spiller større rolle. I modsætning, tetraphenylmolekylet, der blev brugt som kontrol til eksperimenterne, udviste ikke lateral kobling og konduktansværdier forblev konstante, uanset tiltvinklen, der påføres molekylet. Tao siger, at molekyler nu kan designes til enten at udnytte eller minimere laterale koblingseffekter af orbitaler, derved muliggør finjustering af konduktansegenskaber, baseret på en applikations specifikke krav.

En yderligere selvkontrol af konduktansresultaterne blev udført ved hjælp af en moduleringsmetode. Her, molekylets position blev rystet i 3 rumlige retninger, og konduktansværdierne blev observeret. Først når disse hurtige forstyrrelser specifikt ændrede hældningsvinklen for molekylet i forhold til elektroden, blev konduktansværdier ændret, hvilket indikerer, at sidekobling af elektronorbitaler faktisk var ansvarlig for effekten. Tao foreslår også, at denne moduleringsteknik i vid udstrækning kan anvendes som en ny metode til evaluering af konduktansændringer i molekylskala-systemer.