Dispositivos electrónicos de una sola molécula

Un equipo de investigadores de Columbia Engineering ha diseñado una nueva técnica para crear un diodo de una sola molécula, y al hacerlo, ha logrado diodos moleculares con un rendimiento 50 veces superior que todos los diseños anteriores. El equipo es el primero en desarrollar un diodo de una sola molécula, que puede tener aplicaciones tecnológicas en el mundo real en dispositivos a nanoescala.

La imagen ilustra un diodo convencional (Wikipedia Commons)

Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido y es una pieza clave en todo aparato electrónico.

La construcción de un dispositivo en el que los elementos activos son del tamaño de una molécula ha sido durante mucho tiempo un sueño en la nanociencia. Este objetivo representa lo más extremo en miniaturización funcional que se puede lograr en un dispositivo electrónico.

Con los dispositivos electrónicos cada día más pequeños, el campo de la electrónica molecular se ha vuelto cada vez más crítico para resolver los problemas de la miniaturización. Las moléculas individuales representan el límite de miniaturización que se puede alcanzar. La idea de crear un diodo de una sola molécula fue sugerido por Arieh Aviram y Mark Ratner, quienes en 1974 teorizaron que una molécula podría actuar como un rectificador – un conductor de corriente eléctrica en un solo sentido. Desde entonces, los investigadores han explorando las propiedades de transporte de carga de las moléculas. Han demostrado que se puede lograr que las moléculas individuales conectadas a electrodos de metal (uniones de una sola molécula) actúen como una variedad de elementos de circuitos, incluyendo resistencias, interruptores, transistores, y, de hecho, diodos. También han aprendido que es posible observar los efectos de la mecánica cuántica, como la interferencia, que se manifiestan en las propiedades de conductancia de las uniones moleculares.

Ya que un diodo actúa como una válvula eléctrica, su estructura debe ser asimétrica, de manera que la electricidad que fluye en una dirección experimente un entorno diferente que la electricidad que fluye en la otra dirección. Con el fin de desarrollar un diodo de una sola molécula, los investigadores simplemente han diseñado moléculas que tienen estructuras asimétricas.

Con el fin de superar los problemas asociados con el diseño molecular asimétrico, los investigadores se centraron en el desarrollo de una asimetría en el entorno alrededor de la unión molecular. Crearon una asimetría por medio de un método bastante simple: rodearon la molécula activa con una solución iónica, y utilizaron electrodos de oro de diferentes tamaños para que se pusieran en contacto con la molécula.

Los investigadores obtuvieron tasas de rectificación de hasta 250, lo que es 50 veces mayor que los diseños anteriores. Lograron flujos de corriente de más de 0,1 microamperios, que es una gran cantidad de corriente para pasar a través de una sola molécula. Debido a que esta nueva técnica se puede poner en práctica tan fácilmente, se puede aplicar a dispositivos de toda clase a la nanoescala, incluyendo dispositivos hechos con electrodos de grafeno.

Los investigadores ahora están trabajando en entender la física fundamental detrás de su descubrimiento, y en aumentar las tasas de rectificación utilizando nuevos sistemas moleculares.

Estudio: Brian Capozzi, Jianlong Xia, Olgun Adak, Emma J. Dell, Zhen-Fei Liu, Jeffrey C. Taylor, Jeffrey B. Neaton, Luis M. Campos & Latha Venkataraman. Single-molecule diodes with high rectification ratios through environmental control. Nature Nanotechnology (2015), doi: 10.1038/nnano.2015.97