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A medida que nuestros dispositivos se vuelven más pequeños, el uso de moléculas como componentes principales en los circuitos electrónicos se vuelve más crítico. Durante los últimos 10 años, los investigadores han intentado utilizar moléculas individuales como cables conductores debido a su pequeño tamaño, propiedades electrónicas distintas y alta capacidad de sintonización. Pero para la mayoría de los cables moleculares, a medida que aumenta la longitud del cable, la eficiencia con la que se transfieren los electrones por el cable disminuye exponencialmente. Esta limitación ha hecho que sea particularmente difícil construir un cable molecular largo, mucho más largo que un nanómetro, que en realidad conduzca bien la electricidad.
Investigadores de Columbia anunciaron hoy que han construido un nanocable de 2,6 nanómetros de largo, exhibe un aumento inusual en la conductividad a medida que aumenta la longitud del cable y tiene propiedades cuasi-metálicas. Su excelente conductividad es prometedora para el campo de la electrónica molecular y permite fabricar dispositivos electrónicos aún más pequeños. El estudio se publica hoy en química natural.
Diseños de cables moleculares
El equipo de investigación de Columbia Engineering y el Departamento de Química de Columbia, junto con teóricos de Alemania y químicos sintéticos en China, investigaron diseños de cables moleculares que soportarían electrones desapareados en ambos extremos, ya que dichos cables formarían análogos unidimensionales de aisladores topológicos ( TI ) unidos a sus bordes son altamente conductivos pero aislantes en el medio.
Mientras que el 1D TI más simple consta solo de átomos de carbono, donde los carbonos terminales soportan los estados radicales (electrones desapareados), estas moléculas son generalmente muy inestables. Al carbono no le gusta tener electrones desapareados. La sustitución de los carbonos terminales, donde se encuentran los radicales, por nitrógeno aumenta la estabilidad de las moléculas. «Esto hace que los TI 1D hechos con cadenas de carbono pero terminados con nitrógeno sean mucho más estables y podemos trabajar con ellos a temperatura ambiente en condiciones ambientales». dijo el co-líder del equipo Latha Venkataraman, Profesor Lawrence Gussman de Física Aplicada y Profesor de Química.
Rompiendo la regla del decaimiento exponencial
A través de una combinación de diseño químico y experimentación, el grupo creó una serie de TI unidimensionales y rompió con éxito la regla de decaimiento exponencial, una fórmula para el proceso de disminución de una cantidad en proporción a su valor actual. Usando los dos estados de borde radical, los investigadores crearon un camino altamente conductivo a través de las moléculas y lograron una ‘decadencia de conductividad inversa’, es decir, un sistema que muestra una conductividad creciente a medida que aumenta la longitud del cable.
«Lo que es realmente emocionante es que nuestro cable tenía una conductividad del mismo orden de magnitud que la de un punto de contacto de metal de oro, lo que sugiere que la molécula en sí misma exhibe propiedades cuasi-metálicas». Dijo Venkataraman. «Este trabajo muestra que las moléculas orgánicas pueden comportarse como metales en el nivel de una sola molécula, en contraste con lo que se ha hecho en el pasado, donde eran principalmente conductores débiles».
Los investigadores diseñaron y sintetizaron una serie de moléculas de bis(triarilamina) que exhibían propiedades de TI unidimensionales a través de la oxidación química. Realizaron mediciones de conductividad en uniones de una sola molécula donde las moléculas se conectaron tanto a la fuente como a los electrodos de drenaje. A través de las mediciones, el equipo mostró que las moléculas más largas tenían una mayor conductividad, lo que funcionó hasta que el cable fue más largo que 2,5 nanómetros, el diámetro de una hebra de ADN humano.
Sentar las bases para nuevos avances tecnológicos en electrónica molecular
«El laboratorio de Venkataraman siempre se esfuerza por comprender la interacción de la física, la química y la ingeniería de los dispositivos electrónicos de una sola molécula.agregó Liang Li, estudiante de posgrado en el laboratorio y coautor del artículo. «Entonces, la fabricación de estos cables especiales sentará las bases para importantes avances científicos en la comprensión del transporte a través de estos nuevos sistemas». Estamos muy entusiasmados con nuestros resultados, ya que arrojan luz no solo sobre la física fundamental, sino también sobre posibles aplicaciones en el futuro”.
Actualmente, el grupo está desarrollando nuevos diseños para construir cables moleculares que sean aún más largos y altamente conductivos.
Fuente: https://www.engineering.columbia.edu/
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