W kierunku przełączników molekularnych ciała stałego

Szybki rozwój elektroniki molekularnej daje nadzieję na pokonanie przewidzianych przez prawo Moore'a ograniczeń dotyczących miniaturyzacji krzemowych układów scalonych. Naukowcy z UE zbudowali nowe systemy molekularne, które dzięki wykorzystaniu przemian redoks mogą zatrzymywać ładunek lub też zachowywać się dokładnie jak przełączniki bądź pamięci.

Technologie przemysłowe

Cząsteczki często mają wyjątkowe właściwości, nieznajdujące odpowiedników w konwencjonalnych materiałach i umożliwiające stworzenie nowych urządzeń o niespotykanych wcześniej funkcjach, niedających się uzyskać przy pomocy urządzeń ciała stałego. Przykładem są powierzchniowe przełączniki molekularne, które mogą być wyzwalane przez różne bodźce środowiskowe, na przykład poprzez manipulowanie ich stanem naładowania. Cząsteczki redoks-aktywne są dobrymi kandydatami na przełączniki molekularne. Zdolność do przełączania została jednak dotąd wykazana tylko w roztworze, a aby zbudować z nich urządzenia, konieczne jest unieruchomienie ich na stałej podstawie. Celem finansowanego ze środków UE projektu ELECTROMAGIC (Multifunctional surfaces structured with electroactive and magnetic molecules for electronic and spintronic devices) było zsyntetyzowanie stałych przełączników molekularnych poprzez przygotowanie samoorganizujących się monowarstw (SAM). Uzyskując SAM oparte na cząsteczkach endohedralnych metalofulerenów (EMF) umieszczonych na złotym podłożu, naukowcy mogli elektrycznie wyzwalać powierzchniowe właściwości magnetyczne poprzez zmianę stanu redoks. Ponadto zespół sfunkcjonalizował powierzchnię złotą przy pomocy dwóch różnych cząsteczek tetratiafulwalenu, potwierdzając możliwości kontrolowania ich zwilżalności. Energię powierzchniową modyfikowano poprzez wymianę przeciwjonów używanych do stabilizacji ładunku utlenionych SAM. Stany redoks mogą też pełnić funkcję bitów pamięci. Większa liczba stanów oznacza większą pojemność przełącznika molekularnego. Nowo zsyntetyzowane mieszane SAM, oparte na dwóch elektroaktywnych cząsteczkach, służą za przełącznik multi-molekularny. Naukowcy mogą przystąpić do zaprojektowania bardziej złożonego systemu, w którym cząsteczki będą umieszczone na określonych obszarach powierzchni. Celem jest przetestowanie tej koncepcji z wykorzystaniem nanocząstek, które mogłyby wiązać się z cząsteczkami na powierzchni. System ten może znaleźć zastosowanie w układach mikrocieczowych, które kierują rozpoznawaniem w kanałach, w czujnikach do naładowanych cząsteczek biologicznych lub w kontrolowanej hodowli naładowanych polielektrolitów. Zespół uzyskał także ważne informacje na temat wykorzystania organicznych rodników w spintronice molekularnej. Po przygotowaniu SAM opartych na rodnikach organicznych wyniki doświadczeń potwierdziły rolę rodników w transporcie ładunków przez połączenia molekularne między rodnikami i elektrodami. Możliwość skutecznego kontrolowania właściwości cząsteczek w każdym stanie redoks pozwoli na opracowanie sprawnych urządzeń molekularnych, mogących pełnić rolę przełączników, pamięci lub sensorów.