Kako elektronski uređaji postaju sve manji i manji, ograničenja fizičke veličine počinju da remete trend udvostručavanja gustine tranzistora na mikročipovima baziranim na silicijumu otprilike svake dve godine, prema Murovom zakonu. Molekularna elektronika — upotreba pojedinačnih molekula kao gradivnih blokova za elektronske komponente — nudi potencijalni put za nastavak minijaturizacije malih elektronskih uređaja. Uređaji koji koriste molekularnu elektroniku zahtevaju preciznu kontrolu toka električne struje.
Međutim, dinamička priroda ovih pojedinačnih komponenti molekula utiče na performanse uređaja i utiče na ponovljivost.
Istraživači sa Univerziteta Ilinois Urbana-Champaign izveštavaju o jedinstvenoj strategiji za kontrolu molekularne provodljivosti korišćenjem molekula sa krutim okosnicama – kao što su molekuli tipa merdevina, poznati kao postojani u obliku. Dalje, oni su demonstrirali direktnu metodu „jednog lonca“ za sintezu takvih molekula. Principi su zatim primenjeni na sintezu molekula nalik leptiru, pokazujući opštost strategije za kontrolu molekularne provodljivosti.
Ovo novo istraživanje, koje vodi Čarls Šreder, profesor nauke o materijalima i inženjerstvu Džejmsa ekonomije i profesor hemijskog i biomolekularnog inženjerstva, zajedno sa postdoktorom Ksiaolin Liu i diplomiranim studentom Hao Jangom, pojavljuje se u časopisu Nature Chemistry.
„U oblasti molekularne elektronike, morate uzeti u obzir fleksibilnost i kretanje molekula i kako to utiče na funkcionalna svojstva“, kaže Šreder. „I ispostavilo se da to igra značajnu ulogu u elektronskim svojstvima molekula. Da bismo prevazišli ovaj izazov i postigli stalnu provodljivost bez obzira na konformaciju, naše rešenje je bilo da pripremimo molekule sa krutim okosnicama.“
Jedan od glavnih izazova za molekularnu elektroniku je to što su mnogi organski molekuli fleksibilni i imaju višestruke molekularne konformacije – raspored atoma usled rotacije veze – pri čemu svaka konformacija potencijalno može da rezultira različitom električnom provodljivošću.
Liu objašnjava: „Za molekul sa više konformacija, varijacija u provodljivosti je veoma velika, ponekad 1000 puta različita. Odlučili smo da koristimo molekule tipa merdevina, koji su postojani u obliku, i pokazali su stabilan skup krutih konformacija tako da možemo postići stabilnu i robusnu provodljivost molekularnog spoja.“
Molekuli tipa merdevina su klasa molekula koja sadrži neprekinuti niz hemijskih prstenova sa najmanje dva zajednička atoma između prstenova, što „zaključava“ molekul u određenu konformaciju. Takva struktura obezbeđuje postojanost oblika i ograničava rotaciono kretanje molekula, što takođe minimizira varijaciju provodljivosti.
Konzistentna provodljivost je posebno važna kada je krajnji cilj molekularne elektronike upotreba u funkcionalnom uređaju. To znači da milijarde komponenti moraju imati ista elektronska svojstva.
„Varijacije u provodljivosti su jedno od pitanja koje je sprečilo uspešnu komercijalizaciju molekularnih elektronskih uređaja. Veoma je teško proizvesti veliki broj neophodnih identičnih komponenti i kontrolisati molekularnu provodljivost u spojevima pojedinačnih molekula“, objašnjava Jang. „Ako smo u mogućnosti da to precizno uradimo, to može pomoći da se pokrene komercijalizacija i da elektronski uređaji budu veoma mali.
Da bi kontrolisao molekularnu provodljivost molekula postojanih na oblik, tim je koristio jedinstvenu strategiju sinteze u jednoj posudi koja je proizvela hemijski različite, naelektrisane merdevine molekule. Tradicionalne metode sinteze koriste skupe početne materijale i obično su dvokomponentne reakcije, što ograničava raznolikost proizvoda. Korišćenjem višekomponentne strategije u jednoj posudi, koja se takođe naziva modularna sinteza, početni materijali su mnogo jednostavniji i komercijalno dostupni.
„Možemo da koristimo mnogo različitih kombinacija tih početnih materijala i napravimo bogatu raznolikost molekula proizvoda pogodnih za molekularnu elektroniku“, kaže Liu.
Nadalje, Liu i Iang su primenili pravila koja su naučili od molekula tipa merdevina i demonstrirali široku primenljivost postojanosti oblika tako što su dizajnirali, sintetizovali i karakterisali elektronske osobine molekula nalik leptiru. Ovi molekuli imaju dva „krila“ hemijskih prstenova, i poput molekula merdevina, molekuli leptira imaju zaključanu strukturu kičme i ograničenu rotaciju. Ovo će otvoriti put za dizajn drugih funkcionalnih materijala i na kraju, za pouzdanije i efikasnije uređaje.
