Des molécules individuelles ont été utilisées pour créer des composants électriques comme des résistances, transistors et diodes, qui imitent les propriétés des semi-conducteurs familiers. Mais selon Nongjian (NJ) Tao, chercheur au Biodesign Institute® de l'Arizona State University, les propriétés uniques inhérentes aux molécules uniques peuvent également permettre à des concepteurs intelligents de produire de nouveaux dispositifs dont le comportement ne correspond pas aux performances observées dans l'électronique conventionnelle.

Dans les recherches publiées dans le numéro d'aujourd'hui de Nature Nanotechnologie , Tao décrit une méthode pour contrôler mécaniquement la géométrie d'une seule molécule, situé dans une jonction entre une paire d'électrodes en or qui forment un circuit simple. Les manipulations produites augmentent de plus de dix fois la conductivité.

L'insolite, les caractéristiques souvent non intuitives de molécules individuelles peuvent éventuellement être introduites dans une large gamme de microélectronique, adapté aux applications, y compris la détection biologique et chimique ; appareils électroniques et mécaniques.

Des manipulations moléculaires délicates nécessitant patience et finesse sont routinières pour Tao, dont les recherches au Centre de bioélectronique et de biocapteurs de Biodesign ont inclus des travaux sur les diodes moléculaires, comportement du graphène et techniques d'imagerie moléculaire. Néanmoins, il a été surpris par le résultat décrit dans l'article actuel :« Si vous avez une molécule attachée à des électrodes, il peut s'étirer comme un élastique, " dit-il. " Si ça s'allonge, la plupart des gens ont tendance à penser que la conductivité va diminuer. Un fil plus long est moins conducteur qu'un fil plus court."

En effet, une diminution de la conductivité à travers une molécule est couramment observée lorsque la distance entre les électrodes fixées à sa surface augmente et que la molécule s'allonge. Mais selon Tao, si vous étirez suffisamment la molécule, quelque chose d'inattendu se produit :la conductance augmente—d'une quantité énorme. "Nous voyons au moins 10 fois plus de conductivité, simplement en tirant sur la molécule."

Comme l'explique Tao, le résultat intrigant est un sous-produit des lois de la mécanique quantique, qui dictent le comportement de la matière aux plus petites échelles :« La conductivité d'une seule molécule n'est pas simplement inversement proportionnelle à la longueur. Elle dépend de l'alignement du niveau d'énergie.

Dans les fils métalliques des électrodes, les électrons peuvent se déplacer librement, mais lorsqu'ils arrivent à une interface - dans ce cas, une molécule qui se trouve à la jonction entre les électrodes - elles doivent surmonter une barrière énergétique. La hauteur de cette barrière énergétique est essentielle à la facilité avec laquelle les électrons peuvent traverser la molécule. En appliquant une force mécanique à la molécule, la barrière est abaissée, amélioration de la conductance.

"Théoriquement, les gens ont pensé à cela comme une possibilité, mais c'est une démonstration que cela arrive vraiment, " dit Tao. " Si vous étirez la molécule et augmentez géométriquement la longueur, il abaisse énergiquement la barrière pour que les électrons puissent facilement la traverser. Si vous pensez en termes optiques, il devient plus transparent aux électrons."

La raison en est liée à une propriété connue sous le nom de tunnel résonant induit par la force. Cela se produit lorsque l'énergie moléculaire se rapproche du niveau de Fermi des électrodes, c'est-à-dire vers la région de conductance optimale. (Voir figure 1) Ainsi, lorsque la molécule est étirée, il provoque une diminution de la barrière d'énergie tunnel.

Pour les expériences, Le groupe de Tao a utilisé 1, 4'-benzènedithiol, l'entité la plus étudiée pour l'électronique moléculaire. D'autres expériences ont démontré que le transport des électrons à travers la molécule a subi une diminution correspondante à mesure que la distance entre les électrodes a été réduite, provoquant le passage de la géométrie de la molécule d'un état étiré à un état détendu ou comprimé. "Nous devons le faire des milliers de fois pour être sûr que l'effet est robuste et reproductible."

Outre l'importance pratique de la découverte, les nouvelles données montrent un accord étroit avec les modèles théoriques de conductance moléculaire, qui étaient souvent en désaccord avec les valeurs expérimentales, par ordre de grandeur.

Tao souligne que les molécules uniques sont des candidats convaincants pour de nouveaux types d'appareils électroniques, précisément parce qu'ils peuvent présenter des propriétés très différentes de celles observées dans les semi-conducteurs classiques.

Les systèmes microélectromécaniques ou MEMS ne sont qu'un domaine où les propriétés polyvalentes des molécules individuelles sont susceptibles de faire leur marque. Ces petites créations représentent une industrie de 40 milliards de dollars par an et incluent des innovations telles que les commutateurs optiques, gyroscopes pour voitures, applications biomédicales de laboratoire sur puce et microélectronique pour appareils mobiles.

"À l'avenir, quand les gens conçoivent des appareils utilisant des molécules, ils auront une nouvelle boîte à outils qu'ils pourront utiliser."