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Pesquisadores demonstraram um novo material para interruptores eletrônicos de molécula única, que podem efetivamente variar a corrente em nanoescala em resposta a estímulos externos. O material para este interruptor molecular tem uma estrutura única criada pelo bloqueio de um backbone molecular linear em uma estrutura do tipo escada. Um novo estudo descobriu que a estrutura molecular do tipo escada aumenta muito a estabilidade do material, tornando-o altamente promissor para uso em aplicações eletrônicas de molécula única.
Reportado no jornal químicoo estudo mostra que a molécula do tipo escada serve como um interruptor molecular robusto e reversível em uma ampla gama de níveis de condutividade e diferentes estados moleculares.
“Nosso trabalho fornece um passo significativo para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos moleculares funcionais”, diz Charles Schroeder, professor de ciência e engenharia de materiais da James Economy e professor de engenharia química e biomolecular na Universidade de Illinois Urbana-Champaign.
Para aumentar a estabilidade química e mecânica da molécula, a equipe usou novas estratégias em síntese química para travar o esqueleto molecular para evitar que a molécula gire, como converter uma escada de corda em algo mais estável, como metal ou madeira.
“Imagine um interruptor de luz que ligamos e desligamos todos os dias, mas em vez de ligar um interruptor real, adicionamos estímulos químicos ou eletroquímicos para ligar e desligar o sinal elétrico do material”, diz o principal autor e ex-aluno Jialing ( Carolina) Li. Em comparação com materiais inorgânicos a granel, as moléculas orgânicas individuais podem ser transformadas em componentes elétricos básicos, como fios e transistores, e ajudarão a atingir o objetivo final de diminuir os circuitos elétricos.
Dispositivos eletrônicos de molécula única são construídos como junções com uma ponte de molécula única que geralmente é ancorada a dois grupos terminais conectados a eletrodos de metal. Esses dispositivos podem ser programados usando um elemento responsivo a estímulos na ponte que pode ser ligado e desligado usando uma variedade de estímulos como pH, campos ópticos, campos elétricos, campos magnéticos, forças mecânicas e controle eletroquímico.
“O interruptor de escala molecular tem sido um assunto muito popular em estudos de eletrônica de molécula única”, explica Li. “Mas realizar uma chave multiestado em escala molecular é um desafio porque exigimos um material que seja condutor e tenha vários estados de carga molecular diferentes, e exigimos que o material seja muito estável para que possa ser ligado e desligado por muitos ciclos. .”
Embora Li tenha explorado muitos outros materiais orgânicos, a desvantagem desses materiais era que eles não eram estáveis em condições ambientais e podiam se decompor facilmente quando expostos ao oxigênio. Depois de muito tempo procurando o material ideal, Li encontrou ouro ao se deparar com um material de um grupo de pesquisa da Texas A&M University (colaboradores deste projeto) e imediatamente o identificou como ideal para seus propósitos.
Modificar a estrutura bloqueando a espinha dorsal da molécula evita a ocorrência de hidrólise, quebra química devido à reação com a água e outras reações de degradação e facilita a caracterização do material, pois ele não pode girar e mudar de forma. Essa forma rígida e coplanar aumenta as propriedades eletrônicas da molécula, facilitando o fluxo de elétrons através do material. A estrutura do tipo escada permite estados de carga molecular estáveis quando são aplicados estímulos externos que dão origem a níveis significativamente diferentes de condutividade, tornando possível a comutação de vários estados.
Este material atende a quase todos os requisitos necessários para servir em dispositivos eletrônicos de molécula única: é estável em condições ambientais, pode ser ativado/desativado muitas vezes, é condutor (embora não tão condutor quanto o metal) e tem diferentes estados moleculares acessíveis para ser utilizado.
“Os pesquisadores têm lutado para minimizar o tamanho do transistor para caber o maior número possível de chips para semicondutores, geralmente usando materiais inorgânicos como o silício”, diz Li. “Uma maneira alternativa de fazer isso é usar materiais orgânicos como um material de molécula única para conduzir os elétrons e substituir as contrapartes inorgânicas”. A estrutura do tipo escada usada nesta pesquisa mostra-se promissora para ser usada como material funcional para transistores de molécula única.
Por enquanto, apenas uma unidade da molécula é usada para eletrônica de molécula única, mas é possível estender o comprimento para incluir muitas unidades repetidas para fazer um fio molecular mais longo. A equipe acredita que o material ainda será altamente condutor, mesmo a uma distância maior.
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