Elettronica molecolare
L'elettronica molecolare esplora l'utilizzo di singole molecole o di insiemi molecolari su scala nanometrica come componenti elettronici fondamentali. Questo approccio mira a costruire circuiti al limite estremo della miniaturizzazione, ben oltre la tradizionale tecnologia basata sul silicio. I componenti chiave includono fili molecolari, interruttori e raddrizzatori, che sfruttano proprietà della meccanica quantistica come l'effetto tunnel degli elettroni attraverso gli orbitali molecolari per il loro funzionamento.
Il concetto di elettronica molecolare, concettualizzato per la prima volta da Ari Aviram e Mark Ratner nel 1974, rappresenta un cambio di paradigma dalla litografia top-down all'autoassemblaggio bottom-up per la creazione di circuiti elettronici. Il loro articolo fondamentale propose un raddrizzatore molecolare, una molecola D-σ-A (Donatore-ponte sigma-Accettore), che permetterebbe alla corrente di fluire preferenzialmente in una direzione, analogamente a un diodo pn a semiconduttore. Il principio si basa sull'allineamento dei livelli energetici molecolari (HOMO e LUMO) sotto l'applicazione di una tensione di polarizzazione. Quando viene applicata una tensione, gli elettroni possono effettuare un effetto tunnel da un elettrodo, attraverso gli orbitali s della molecola, all'altro elettrodo. L'asimmetria nella struttura DA crea una caratteristica corrente-tensione (I-V) asimmetrica, che è alla base della rettificazione.
Oltre ai semplici raddrizzatori, i ricercatori hanno dimostrato la realizzazione di fili molecolari (ad esempio, polimeri coniugati), interruttori che possono essere commutati tra gli stati "acceso" e "spento" utilizzando luce, calore o campi elettrici, e persino transistor molecolari. La sfida principale consiste nel collegare in modo affidabile queste minuscole molecole a elettrodi macroscopici e nel creare dispositivi stabili e riproducibili. Tecniche come le giunzioni a rottura ottenute con microscopia a scansione a effetto tunnel (STM) e le giunzioni a rottura controllabili meccanicamente (MCBJ) vengono utilizzate in laboratorio per misurare la conduttanza di singole molecole. Sebbene i computer molecolari su vasta scala rimangano un obiettivo lontano, i principi vengono applicati in settori come il rilevamento molecolare, in cui le proprietà elettroniche di una molecola cambiano in seguito al legame con uno specifico analita bersaglio, e nei diodi organici a emissione di luce (OLED), che si basano sul trasporto di carica attraverso film molecolari organici.
Il campo è altamente interdisciplinare e fonde chimica quantistica, scienza dei materiali e fisica della materia condensata. Promette non solo una miniaturizzazione estrema, ma anche nuove funzionalità derivate dalle proprietà quantistiche uniche delle singole molecole, che potrebbero portare a dispositivi con consumi energetici ridotti e modelli computazionali completamente nuovi.
UNESCO Nomenclature: 2205
- Elettronica
Utilizzo
Tecnologia emergente
Precursori
- scoperta dell'elettrone
- sviluppo della meccanica quantistica
- sintesi di molecole organiche complesse
- invenzione del diodo semiconduttore
- sviluppo della microscopia a scansione a effetto tunnel (STM)
Applicazioni
- sensori su scala molecolare
- archiviazione dati ad altissima densità
- diodi organici a emissione di luce (OLED)
- potenziale per architetture di calcolo molecolare
Idee e potenziali innovazioni
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Argomenti correlati: elettronica molecolare, singola molecola, Aviram-Ratner, raddrizzatore molecolare, effetto tunnel quantistico, fabbricazione bottom-up, interruttore molecolare, nanoelettronica.