Los interruptores atómicos acercan la electrónica molecular a la realidad
Investigadores desarrollan interruptores basados en plata que forman conexiones fiables entre moléculas y electrodos
Investigadores japoneses han desarrollado interruptores atómicos basados en plata que crean conexiones eléctricas estables entre moléculas individuales y electrodos, abordando así un reto clave en el cableado de la electrónica molecular. El interruptor funciona formando y rompiendo filamentos atómicos de plata cuando se aplica e invierte un voltaje, lo que corresponde a los estados "encendido" y "apagado". Este método permite la integración escalable de componentes moleculares, allanando el camino a circuitos ultracompactos y energéticamente eficientes construidos a partir de moléculas individuales.
El interruptor atómico funciona formando y rompiendo un diminuto filamento de plata dentro de una fina película de óxido de tántalo. Cuando se aplica un voltaje positivo, los átomos de plata se mueven para crear un puente conductor entre dos electrodos, encendiendo el interruptor. Al invertir la tensión, el filamento se rompe y el interruptor se apaga.
Institute of Science Tokyo
Es posible que los circuitos electrónicos del futuro no se construyan a partir de silicio, sino de moléculas individuales. Los científicos ya han demostrado que la electrónica molecular funciona como rectificadores, interruptores y unidades de memoria. Se espera que estos dispositivos sean más pequeños y más eficientes energéticamente que la electrónica actual. Sin embargo, la formación de un contacto eléctrico estable entre las moléculas y los electrodos metálicos, esencial para ensamblar los componentes individuales en un circuito funcional, constituye un reto clave.
Una solución a este problema es el uso de un interruptor atómico (AS), una alternativa inteligente al interruptor mecánico tradicional. En lugar de piezas móviles, el AS se basa en reacciones químicas que mueven iones metálicos o desencadenan cambios redox para crear y romper vías conductoras. Esto lo hace más sencillo, fiable y fácil de integrar en los circuitos moleculares de nueva generación.
Para hacer realidad el uso del AS en circuitos moleculares, investigadores del Instituto de Ciencias de Tokio (Science Tokyo), en Japón, han demostrado ahora un AS basado en plata que puede utilizarse para conectar moléculas individuales en un entorno de estado sólido. El estudio, publicado en línea en la revista Small el 25 de octubre de 2025, supone un paso adelante en la creación de uniones moleculares capaces de enlazar distintos componentes electrónicos moleculares.
El equipo de investigación estuvo dirigido por los profesores asociados Satoshi Kaneko y Tomoaki Nishino, junto con los estudiantes de posgrado Dr. Akira Aiba y Sr. Sekito Nishimuro de Science Tokyo, en colaboración con el Dr. Tohru Tsuruoka y el Dr. Kazuya Terabe del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales y el Dr. Marius Buerkle del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada.
"La utilización de AS permite el cableado molecular estable dentro de un entorno de estado sólido, lo que permite aplicar voltaje directamente a las moléculas funcionales. Este enfoque elimina la necesidad de manipular mecánicamente los electrodos, lo que simplifica el diseño de dispositivos y permite la paralelización y la integración, pasos clave hacia una electrónica molecular escalable", afirma Kaneko.
El AS se forma sobre una fina película de óxido de tántalo (Ta 2 O 5 ). Se introducen moléculas de gas acetileno y se aplica un pequeño voltaje para formar filamentos atómicos de plata que se conectan a estas moléculas. Cuando se aplica un voltaje positivo, los átomos de plata se mueven y forman un filamento que hace de puente entre los electrodos, encendiendo el interruptor. Al invertir la tensión, el filamento se rompe y el interruptor se apaga.
Al romperse el filamento, una molécula de acetileno queda atrapada entre los átomos de plata restantes, formando una unión molecular. En este estado, la propia molécula de acetileno hace de puente entre los electrodos y permite el paso de la corriente. Un nuevo cambio de tensión acaba por romper esta unión molecular, completando el ciclo de conmutación. El AS de plata basado en Ta 2 O 5 funcionó de forma estable a tensiones bajas (en torno a 0,3 V) tanto en condiciones de vacío ultraalto como en un entorno de acetileno.
El equipo confirmó que el interruptor funcionaba según lo previsto mediante una técnica llamada espectroscopia de efecto túnel de electrones inelásticos. Este método detecta las diminutas vibraciones de las moléculas cuando la electricidad las atraviesa. Las moléculas de acetileno producían señales vibracionales claras, lo que demostraba que estaban directamente conectadas al filamento de plata y ayudaban a transportar la corriente. Además, la conductancia del dispositivo mostraba valores que oscilaban entre 10 -3 - 10 -1 G 0 , típicos de las uniones de moléculas individuales, lo que confirmaba que la conexión eléctrica existía a nivel molecular.
Esta nueva técnica elimina la necesidad de ajustar físicamente los electrodos para formar uniones moleculares, un proceso que durante mucho tiempo ha limitado la electrónica molecular a los experimentos de laboratorio. Mediante el uso de interruptores atómicos, se pueden crear múltiples uniones moleculares de forma automática y simultánea, allanando el camino para un método de fabricación fiable y escalable.
"Se espera que estos hallazgos contribuyan significativamente al desarrollo de dispositivos moleculares de bajo consumo energético, como interruptores y sensores, que aprovechen las propiedades cuánticas de las moléculas", afirma Kaneko.
Este avance nos acerca a los dispositivos ultracompactos y energéticamente eficientes, en los que circuitos electrónicos enteros se construyen a partir de moléculas individuales".
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