A medida que los dispositivos electrónicos se vuelven cada vez más pequeños, las limitaciones de tamaño físico comienzan a alterar la Ley de Moore de duplicar la densidad de transistores en microchips basados en silicio aproximadamente cada dos años. La electrónica molecular (el uso de moléculas individuales como componentes básicos de componentes electrónicos) ofrece una ruta potencial hacia la miniaturización continua de dispositivos electrónicos a pequeña escala. Los dispositivos que utilizan electrónica molecular requieren un control preciso de la corriente eléctrica. Sin embargo, la naturaleza dinámica de estos componentes de una sola molécula afecta el rendimiento del dispositivo y afecta la reproducibilidad.
Investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign informan sobre una técnica única para controlar la conductividad molecular mediante el uso de moléculas con estructuras rígidas, como moléculas tipo escalera, que se sabe que estabilizan la forma. Además, demostraron un método simple de “un solo recipiente” para sintetizar tales moléculas. Luego, los principios se aplicaron a la síntesis de moléculas parecidas a mariposas, mostrando la generalidad de la técnica para controlar la conductancia molecular.
La nueva investigación, dirigida por el profesor James Economy de ciencia e ingeniería de materiales y el profesor Charles Schroeder de ingeniería química y biomolecular, junto con el postdoctorado Xiaolin Liu y el estudiante graduado Hao Yang, se publicó recientemente en la revista La naturaleza es química..
“En electrónica molecular hay que tener en cuenta la flexibilidad y el movimiento de la molécula y cómo esto afecta a las propiedades funcionales”, dice Schroeder. “Y resulta que juega un papel importante en las propiedades electrónicas de las moléculas. Para superar este desafío y lograr una conductividad constante independientemente de la estructura, nuestra solución fue preparar moléculas con cadenas principales rígidas”.
Uno de los principales desafíos para la electrónica molecular es que muchas moléculas orgánicas son flexibles y tienen múltiples conformaciones moleculares (la disposición de los átomos debido a la rotación de los enlaces); cada conformación puede resultar en una conductividad eléctrica diferente. Liu explica: “Para una molécula con múltiples conformaciones, la variación en la conductancia es muy grande, a veces 1000 veces diferente. Decidimos usar moléculas de tipo escalera, que tienen una forma fija y muestran una agregación estable de conformaciones rígidas de modo que Somos estables y fuertes. Los enlaces moleculares pueden lograr conductividad”.
Las moléculas de tipo escalera son una clase de moléculas que contienen una secuencia ininterrumpida de anillos químicos con al menos dos átomos compartidos entre los anillos, lo que “bloquea” la molécula en una conformación específica. Una estructura de este tipo proporciona estabilidad de forma y restringe el movimiento de rotación de las moléculas, lo que también reduce la variación de la conductividad.
Tener una conductividad constante es especialmente importante cuando el objetivo final de la electrónica molecular es su uso en un dispositivo funcional. Esto significa que miles de millones de elementos deben tener las mismas propiedades electrónicas. “La variabilidad en la conductividad es uno de los problemas que ha obstaculizado la comercialización exitosa de dispositivos electrónicos moleculares. Es muy difícil fabricar la cantidad necesaria de materiales uniformes y controlar la conductividad molecular en las uniones de una sola molécula”, explica Yang. “Si somos capaces de hacerlo bien, podría ayudar a impulsar la comercialización y hacer que los dispositivos electrónicos sean muy pequeños”.
Para controlar la conductividad molecular de las moléculas de forma fija, el equipo utilizó una técnica única de síntesis en escalera en un solo recipiente que crea moléculas en escalera cargadas y químicamente diversas. Los métodos de síntesis tradicionales utilizan materiales de partida costosos y normalmente reacciones de dos componentes, lo que limita la diversidad de productos. Utilizando una técnica multicomponente en un solo recipiente, también llamada síntesis modular, los materiales de partida son mucho más simples y están disponibles comercialmente. “Podemos utilizar diferentes combinaciones de esos materiales de partida y crear una rica variedad de moléculas de productos adecuadas para la electrónica molecular”, dijo Liu.
Además, Liu y Yang aplicaron las reglas aprendidas de las moléculas en forma de escalera y demostraron la amplia aplicabilidad de la constancia de la forma al diseñar, sintetizar y caracterizar las propiedades electrónicas de moléculas en forma de mariposa. Los anillos químicos de estas moléculas tienen dos “alas” y, al igual que las moléculas de escalera, las moléculas de mariposa presentan una estructura central bloqueada y una rotación restringida. Esto allanará el camino para el diseño de otros materiales funcionales y, en última instancia, para dispositivos más fiables y eficientes.
Charles Schroeder también es asociado del Departamento de Química y Bioingeniería, del Laboratorio de Investigación de Materiales y del Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas de Illinois.
Xiaolin Liu está afiliado al Departamento de Química de Illinois y al Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas.
Hao Yang está afiliado al Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y al Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas de Illinois.
Otros contribuyentes a este trabajo incluyen a Jeffrey S. Moore (Departamento de Química y Ciencia e Ingeniería de Materiales, Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzada, Illinois), Joaquín Rodríguez-López (Departamento de Química, Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzada, Illinois), Qian Chen (Departamento de Química y Materiales Ciencia e Ingeniería, Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzada, Illinois), Adolfo IB Romo (Departamento de Química, Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzada, Illinois), Oliver Lin (Departamento de Química, Illinois), Toby J. Woods (Departamento de Química, Illinois), Rajarshi Samajdar (Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzada, Illinois), Hasan Harb (División de Ciencia de Materiales, Laboratorio Nacional Argonne) y Rajeev S. Asari (División de Ciencia de Materiales , Laboratorio Nacional Argonne) Laboratorio Nacional).
Esta investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.