يُظهر الباحثون 'مفتاحًا' إلكترونيًا لجزيء واحد باستخدام جزيئات تشبه السلم

ذكرت في المجلة الكيمياءأظهرت الدراسة أن الجزيء من النوع السلمي يعمل كمفتاح جزيئي قوي وقابل للعكس على نطاق واسع من مستويات التوصيل والحالات الجزيئية المختلفة.

يقول تشارلز شرودر، أستاذ علوم وهندسة المواد في جيمس الاقتصاد وأستاذ الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية في جامعة إلينوي أوربانا شامبين: 'إن عملنا يوفر خطوة مهمة إلى الأمام نحو تطوير الأجهزة الإلكترونية الجزيئية الوظيفية'. .

ولتعزيز الاستقرار الكيميائي والميكانيكي للجزيء، استخدم الفريق استراتيجيات جديدة في التخليق الكيميائي لقفل العمود الفقري الجزيئي لمنع الجزيء من الدوران، مثل تحويل سلم حبل إلى شيء أكثر استقرارًا مثل المعدن أو الخشب.

يقول المؤلف الرئيسي وطالب دراسات عليا سابق: 'تخيل مفتاح ضوء نقوم بتشغيله وإيقافه كل يوم، ولكن بدلاً من قلب المفتاح الفعلي، نضيف محفزات كيميائية أو كهروكيميائية لتشغيل وإيقاف الإشارة الكهربائية من المادة'. جيالينغ (كارولين) لي. بالمقارنة مع المواد غير العضوية السائبة، يمكن تحويل الجزيئات العضوية المفردة إلى مكونات كهربائية أساسية، مثل الأسلاك والترانزستورات، وسوف تساعد في تحقيق الهدف النهائي المتمثل في تقليص الدوائر الكهربائية.

يتم إنشاء الأجهزة الإلكترونية ذات الجزيء الواحد كوصلات مع جسر جزيء واحد يتم تثبيته عمومًا على مجموعتين طرفيتين متصلتين بأقطاب كهربائية معدنية. يمكن جعل هذه الأجهزة قابلة للبرمجة باستخدام عنصر مستجيب للمحفزات في الجسر والذي يمكن تشغيله وإيقاف تشغيله باستخدام مجموعة من المحفزات مثل الرقم الهيدروجيني والمجالات البصرية والمجالات الكهربائية والمجالات المغناطيسية والقوى الميكانيكية والتحكم الكهروكيميائي.

'لقد كان تبديل النطاق الجزيئي موضوعًا شائعًا جدًا في دراسات الإلكترونيات الجزيئية الفردية ' يشرح لي. 'لكن تحقيق مفتاح متعدد الحالات على المستوى الجزيئي يمثل تحديًا لأننا نحتاج إلى مادة موصلة ولها عدة حالات شحن جزيئية مختلفة، ونحتاج إلى أن تكون المادة مستقرة جدًا بحيث يمكن تشغيلها وإيقافها للعديد من الأشخاص دورات.'

على الرغم من أن لي اكتشف العديد من المواد العضوية الأخرى، إلا أن عيب هذه المواد هو أنها لم تكن مستقرة في الظروف المحيطة ويمكن أن تتحلل بسهولة عند تعرضها للأكسجين. وبعد البحث عن المادة المثالية لفترة طويلة، حصلت لي على الذهب عندما عثرت على مادة من مجموعة بحثية في جامعة تكساس إيه آند إم (المتعاونون في هذا المشروع) وحددت على الفور أنها مثالية لأغراضها.

تعديل البنية عن طريق قفل العمود الفقري للجزيء يمنع حدوث التحلل المائي، والانهيار الكيميائي بسبب التفاعل مع الماء، وتفاعلات التحلل الأخرى، ويجعل توصيف المادة أسهل لأنه لا يمكن تدويرها وتغيير أشكالها. يعزز هذا الشكل الصلب المستوي الخواص الإلكترونية للجزيء، مما يجعل تدفق الإلكترونات عبر المادة أسهل. يسمح الهيكل من نوع السلم بحالات شحن جزيئية مستقرة عند تطبيق المحفزات الخارجية التي تؤدي إلى مستويات مختلفة بشكل كبير من الموصلية - مما يجعل التبديل متعدد الحالات ممكنًا.

تلبي هذه المادة تقريبًا جميع المتطلبات اللازمة للعمل في الأجهزة الإلكترونية أحادية الجزيء: فهي مستقرة في الظروف المحيطة، ويمكن تشغيلها وإيقافها عدة مرات، وهي موصلة (على الرغم من أنها ليست موصلة مثل المعدن) ولها حالات جزيئية مختلفة يمكن الوصول إليها ليتم استخدامها.

يقول لي: 'يكافح الباحثون من أجل تقليل حجم الترانزستور ليناسب أكبر عدد ممكن من شرائح أشباه الموصلات، وعادةً ما يستخدمون مواد غير عضوية مثل السيليكون'. 'هناك طريقة بديلة للقيام بذلك وهي استخدام المواد العضوية مثل مادة ذات جزيء واحد لتوصيل الإلكترونات واستبدال نظيراتها غير العضوية.' يُظهر الهيكل السلمي المستخدم في هذا البحث إمكانية استخدامه كمواد وظيفية للإلكترونات الأحادية. الترانزستورات الجزيئية.

في الوقت الحالي، يتم استخدام وحدة واحدة فقط من الجزيء للإلكترونيات أحادية الجزيء، ولكن من الممكن تمديد الطول ليشمل العديد من الوحدات المتكررة لصنع سلك جزيئي أطول. ويعتقد الفريق أن المادة ستظل موصلة بدرجة عالية، حتى على مسافة أطول.