Une équipe de scientifiques du Tyndall National Institute de l'University College Cork et de l'Université nationale de Singapour ont conçu et fabriqué des appareils ultra-petits pour l'électronique à haut rendement énergétique. En découvrant comment les molécules se comportent dans ces dispositifs, une augmentation de dix fois de l'efficacité de commutation a été obtenue en changeant un seul atome de carbone. Ces appareils pourraient offrir de nouveaux moyens de lutter contre la surchauffe des téléphones portables et des ordinateurs portables, et pourrait également aider à la stimulation électrique de la réparation des tissus pour la cicatrisation des plaies. La création révolutionnaire de dispositifs moléculaires aux propriétés électriques hautement contrôlables apparaîtra dans le numéro de février de Nature Nanotechnologie . Dr Damien Thompson à l'Institut national Tyndall, L'UCC et une équipe de chercheurs de l'Université nationale de Singapour dirigée par le professeur Chris Nijhuis ont conçu et créé les appareils, qui sont basées sur des molécules agissant comme des valves électriques, ou redresseurs à diodes.

Le Dr Thompson explique "Ces molécules sont très utiles car elles permettent au courant de les traverser lorsqu'elles sont allumées et bloquent le flux de courant lorsqu'elles sont éteintes. Les résultats de l'étude montrent que le simple ajout d'un carbone supplémentaire est suffisant pour améliorer les performances de l'appareil de plus d'un facteur 10. Nous suivons de nombreuses idées nouvelles sur la base de ces résultats, et nous espérons finalement créer une gamme de nouveaux composants pour les appareils électroniques. » Les simulations informatiques au niveau de l'atome du Dr Thompson ont montré comment les molécules avec un nombre impair d'atomes de carbone se tiennent plus droites que les molécules avec un nombre pair d'atomes de carbone. Cela leur permet de Des assemblages serrés de ces molécules ont été formés sur des surfaces d'électrodes métalliques par le groupe Nijhuis à Singapour et se sont avérés remarquablement exempts de défauts. Ces dispositifs de haute qualité peuvent supprimer les courants de fuite et ainsi fonctionner de manière efficace et fiable. l'appareil peut être allumé et éteint proprement en fonction de la charge et de la forme des molécules, tout comme dans les nanomachines biologiques qui régulent la photosynthèse, division cellulaire et croissance des tissus.

Le professeur Jim Greer, chef du groupe Tyndall Electronic Theory Group, explique :« Les appareils électroniques modernes tels que les téléphones et les tablettes en fabrication reposent aujourd'hui sur de minuscules commutateurs approchant les tailles moléculaires. Le travail du Dr Thompson est une nouvelle voie passionnante pour exploiter la conception moléculaire afin de trouver de nouvelles façons d'effectuer le traitement de l'information. Une caractéristique clé de l'électronique à l'échelle nanométrique sera la capacité d'utiliser des molécules comme redresseurs et commutateurs. En démontrant la conception rationnelle de molécules qui rectifient le courant avec un rapport ON/OFF important et hautement reproductible, l'étude fournit une avancée clé vers la création de composants d'appareils ultra-petits technologiquement viables. Cinquante mille des molécules de redressement enfilées bout à bout s'adapteraient sur le diamètre d'un cheveu humain. Les progrès de l'informatique, la synthèse et la caractérisation signifient que les scientifiques peuvent désormais comprendre et contrôler les matériaux à l'échelle des atomes et des molécules.

L'étude a été financée du côté irlandais par un prix de chercheur débutant de la Science Foundation Ireland décerné au Dr Thompson. Les simulations informatiques ont été réalisées sur des clusters de calcul soutenus par la Science Foundation Ireland à Tyndall et au Centre irlandais pour l'informatique haut de gamme. Les expériences et les simulations combinées montrent pour la première fois que des améliorations infimes de l'orientation des molécules et de l'emballage déclenchent des changements dans les forces de van der Waals qui sont suffisamment importants pour améliorer considérablement les performances des appareils électroniques. Le Dr Thompson explique :"Ces forces de van der Waals sont les plus faibles de toutes les forces intermoléculaires et ne deviennent significatives que lorsqu'elles sont additionnées sur de grandes surfaces. Par conséquent, jusqu'à maintenant, la majorité des recherches sur les appareils ultra-petits ont utilisé des interactions "pi-pi" plus fortes pour coller des molécules ensemble, et a ignoré les plus faibles, mais omniprésent, interactions van der Waals. La présente étude montre comment les effets de van der Waals, qui sont présents dans tous les dispositifs imaginables à l'échelle moléculaire, peut être réglé pour optimiser les performances de l'appareil."

Les dispositifs sont basés sur des molécules qui agissent comme des diodes en permettant au courant de les traverser lorsqu'elles fonctionnent en polarisation directe et en bloquant le courant lorsque la polarisation est inversée. Les redresseurs moléculaires ont été proposés pour la première fois en 1974, et les progrès du calcul scientifique ont permis d'utiliser la conception au niveau moléculaire au cours de la dernière décennie pour développer de nouveaux matériaux organiques offrant de meilleures réponses électriques. Cependant, l'importance relative des interactions entre les molécules, la nature du contact molécule-métal et l'influence des effets environnementaux ont été remises en question. Cette nouvelle recherche démontre que des améliorations spectaculaires des performances de l'appareil peuvent être obtenues en contrôlant les forces de van der Waals qui emballent les molécules ensemble. Le simple fait de changer le nombre d'atomes de carbone par un fournit des dispositifs nettement plus stables et plus reproductibles qui présentent un ordre de grandeur d'amélioration du rapport ON/OFF. Les résultats de la recherche démontrent qu'il est possible d'améliorer les performances de l'appareil en créant des joints plus étroits entre les molécules.

"Le développement de l'électronique à l'échelle moléculaire repose fortement sur la simulation et le calcul haute performance", a commenté le professeur Greer. « Le soutien continu aux infrastructures de recherche en Irlande permet les avancées scientifiques qui conduisent à une interaction améliorée avec les leaders mondiaux de l'industrie, et positionne l'Irlande comme un fournisseur clé de recherche ayant un impact."