Forskere holder elektroniske enheder kølige med nanoteknologi

Et team af forskere fra Tyndall National Institute ved University College Cork og National University of Singapore har designet og fremstillet ultrasmå enheder til energieffektiv elektronik. Ved at finde ud af, hvordan molekyler opfører sig i disse enheder, en ti-dobling af omskiftningseffektiviteten blev opnået ved at ændre kun ét kulstofatom. Disse enheder kunne give nye måder at bekæmpe overophedning i mobiltelefoner og bærbare computere, og kunne også hjælpe med elektrisk stimulering af vævsreparation til sårheling. Gennembrudsskabelsen af ​​molekylære enheder med meget kontrollerbare elektriske egenskaber vil blive vist i februar-udgaven af Natur nanoteknologi . Dr. Damien Thompson ved Tyndall National Institute, UCC og et team af forskere ved National University of Singapore ledet af prof. Chris Nijhuis designet og skabte enhederne, som er baseret på molekyler, der fungerer som elektriske ventiler, eller diode ensrettere.

Dr. Thompson forklarer "Disse molekyler er meget nyttige, fordi de tillader strøm at flyde gennem dem, når de er tændt og blokerer strømstrømmen, når de er slukket. Resultaterne af undersøgelsen viser, at blot tilføjelse af et ekstra kulstof er tilstrækkeligt til at forbedre enhedens ydeevne med mere end en faktor på ti. Vi følger op på mange nye ideer baseret på disse resultater, og vi håber i sidste ende at skabe en række nye komponenter til elektroniske enheder." Dr. Thompsons computersimuleringer på atomniveau viste, hvordan molekyler med et ulige antal carbonatomer står mere lige end molekyler med et lige antal carbonatomer. Dette giver dem mulighed for at pakkes tættere sammen. Tætpakkede samlinger af disse molekyler blev dannet på metalelektrodeoverflader af Nijhuis-gruppen i Singapore og viste sig at være bemærkelsesværdigt fri for defekter. Disse højkvalitetsenheder kan undertrykke lækstrømme og fungerer derfor effektivt og pålideligt. apparatet kan tændes og slukkes rent på grundlag af molekylernes ladning og form, ligesom i de biologiske nanomaskiner, der regulerer fotosyntesen, celledeling og vævsvækst.

Tyndall Electronic Theory Group-leder Prof. Jim Greer forklarer:"Moderne elektroniske enheder såsom telefoner og tablets, der fremstilles i dag, er afhængige af bittesmå kontakter, der nærmer sig molekylstørrelser. Dette giver nye udfordringer for elektronik, men åbner op for spændende muligheder for at blande molekylære egenskaber, der kan bruges til at Dr. Thompsons arbejde er en spændende ny vej til at udnytte molekylært design til at opnå nye måder at udføre informationsbehandling på." En vigtig funktion for elektronik i nanoskala vil være muligheden for at bruge molekyler som ensrettere og switches. Ved at demonstrere det rationelle design af molekyler, der ensretter strøm med et stort og meget reproducerbart ON/OFF-forhold, undersøgelsen giver et vigtigt fremskridt hen imod skabelsen af ​​teknologisk levedygtige ultrasmå enhedskomponenter. Halvtreds tusinde af ensrettermolekylerne spændt ende mod ende ville passe på tværs af diameteren af ​​et menneskehår. Fremskridt inden for databehandling, syntese og karakterisering betyder, at videnskabsmænd nu kan forstå og kontrollere materiale på skalaen af ​​atomer og molekyler.

Undersøgelsen blev finansieret på irsk side af en Science Foundation Ireland Starting Investigator-pris til Dr. Thompson. Computersimuleringerne blev udført på Science Foundation Ireland-støttede computerklynger ved Tyndall og på Irish Center for High End Computing. De kombinerede eksperimenter og simuleringer viser for første gang, at små forbedringer i molekyleorientering og pakning udløser ændringer i van der Waals-kræfter, der er tilstrækkeligt store til dramatisk at forbedre elektroniske enheders ydeevne. Dr. Thompson forklarer:"Disse van der Waals-kræfter er de svageste af alle intermolekylære kræfter og bliver kun signifikante, når de summeres over store områder. Derfor, indtil nu, Størstedelen af ​​forskningen i ultrasmå enheder har brugt stærkere "pi-pi"-interaktioner til at klæbe molekyler sammen, og har ignoreret de meget svagere, men allestedsnærværende, van der Waals interaktioner. Denne undersøgelse viser, hvordan van der Waals påvirker, som er til stede i enhver tænkelig enhed i molekylær skala, kan indstilles for at optimere enhedens ydeevne."

Enhederne er baseret på molekyler, der fungerer som dioder ved at tillade strøm at passere gennem dem, når de betjenes ved fremadgående forspænding, og blokerer strøm, når forspændingen vendes. Molekylære ensrettere blev først foreslået tilbage i 1974, og fremskridt inden for videnskabelig databehandling har gjort det muligt at bruge design på molekylært niveau i det sidste årti til at udvikle nye organiske materialer, der giver bedre elektriske reaktioner. Imidlertid, den relative betydning af interaktionerne mellem molekylerne, der er stillet spørgsmålstegn ved arten af ​​molekyle-metal-kontakten og indflydelsen af ​​miljøeffekter. Denne nye forskning viser, at dramatiske forbedringer i enhedens ydeevne kan opnås ved at kontrollere van der Waals-kræfterne, der pakker molekylerne sammen. Blot at ændre antallet af kulstofatomer med et giver betydeligt mere stabile og mere reproducerbare enheder, der udviser en størrelsesordensforbedring i ON/OFF-forhold. Forskningsresultaterne viser gennemførligheden af ​​at øge enhedens ydeevne ved at skabe tættere tætninger mellem molekyler.

"Udviklingen af ​​elektronik i molekylær skala er stærkt afhængig af simulering og højtydende databehandling", kommenterede prof. Greer. "Den fortsatte støtte til forskningsinfrastruktur i Irland giver mulighed for de videnskabelige fremskridt, der fører til øget interaktion med globale industriledere, og positionerer Irland som en nøgleleverandør af forskning med effekt."