Los investigadores construyen el nanohilo molecular más largo y altamente conductor

A medida que nuestros dispositivos son cada vez más pequeños, el uso de moléculas como componentes principales de los circuitos electrónicos es cada vez más importante. En los últimos 10 años, los investigadores han intentado utilizar moléculas individuales como hilos conductores por su pequeña escala, sus características electrónicas distintivas y su gran capacidad de sintonización. Pero en la mayoría de los hilos moleculares, a medida que aumenta su longitud, la eficacia con la que se transmiten los electrones a través del hilo disminuye exponencialmente, por lo que resulta especialmente difícil construir un hilo molecular largo -mucho más que un nanómetro- que conduzca bien la electricidad.

Los investigadores de la Universidad de Columbia han anunciado hoy que han construido un nanohilo de 2,6 nanómetros de longitud, que muestra un aumento inusual de la conductancia a medida que aumenta la longitud del hilo y que tiene propiedades casi metálicas. Su excelente conductividad es muy prometedora para el campo de la electrónica molecular, ya que permite que los dispositivos electrónicos sean aún más pequeños. El estudio se publica en Nature Chemistry.

Diseños de cables moleculares

El equipo de investigadores de Columbia Engineering y del departamento de química de Columbia, junto con teóricos de Alemania y químicos sintéticos de China, exploró diseños de hilos moleculares que admitieran electrones no apareados en ambos extremos, ya que tales hilos formarían análogos unidimensionales a los aislantes topológicos (TI) que son altamente conductores a través de sus bordes pero aislantes en el centro.

Aunque el más sencillo de los aislantes topológicos unidimensionales está formado por átomos de carbono y los carbonos terminales soportan los estados radicales, es decir, los electrones no apareados, estas moléculas suelen ser muy inestables. Al carbono no le gusta tener electrones no apareados. La sustitución de los carbonos terminales, donde se encuentran los radicales, por nitrógeno aumenta la estabilidad de las moléculas. "Esto hace que las ITs 1D hechas con cadenas de carbono pero terminadas con nitrógeno sean mucho más estables y podamos trabajar con ellas a temperatura ambiente", dijo la codirectora del equipo, Latha Venkataraman, profesora de Física Aplicada Lawrence Gussman y profesora de química.

Romper la regla del decaimiento exponencial

Mediante una combinación de diseño químico y experimentos, el grupo creó una serie de TIs unidimensionales y rompió con éxito la regla del decaimiento exponencial, una fórmula para el proceso de disminución de una cantidad a una tasa proporcional a su valor actual. Utilizando los dos estados de borde radical, los investigadores generaron una vía altamente conductora a través de las moléculas y lograron una "decadencia de conductancia invertida", es decir, un sistema que muestra una conductancia creciente con el aumento de la longitud del cable.

"Lo realmente emocionante es que nuestro hilo tenía una conductancia a la misma escala que la de un contacto puntual metal-metal de oro, lo que sugiere que la propia molécula muestra propiedades cuasi metálicas", dijo Venkataraman. "Este trabajo demuestra que las moléculas orgánicas pueden comportarse como metales a nivel de una sola molécula, en contraste con lo que se había hecho en el pasado, en el que eran principalmente conductores débiles".

Los investigadores diseñaron y sintetizaron una serie molecular de bis(triarilaminas), que presentaba propiedades de un TI unidimensional por oxidación química. Realizaron mediciones de conductancia de uniones monomoleculares en las que las moléculas estaban conectadas a los electrodos de origen y de drenaje. A través de las mediciones, el equipo demostró que las moléculas más largas presentaban una mayor conductancia, que funcionaba hasta que el cable era más largo que 2,5 nanómetros, el diámetro de una hebra de ADN humano.

Sentar las bases para más avances tecnológicos en electrónica molecular

"El laboratorio de Venkataraman siempre trata de entender la interacción entre la física, la química y la ingeniería de los dispositivos electrónicos de una sola molécula", añadió Liang Li, estudiante de doctorado en el laboratorio y coprimer autor del artículo. "Así pues, la creación de estos cables concretos sentará las bases para importantes avances científicos en la comprensión del transporte a través de estos novedosos sistemas. Estamos muy ilusionados con nuestros hallazgos porque arrojan luz no sólo sobre la física fundamental, sino también sobre las posibles aplicaciones en el futuro."

El grupo está desarrollando actualmente nuevos diseños para construir hilos moleculares aún más largos y que sigan siendo altamente conductores.