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Un nuovo tipo di interruttore molecolare
Gli scienziati IBM hanno creato un nuovo interruttore molecolare in grado di accendersi e spegnersi senza alterarne la forma. Mentre un tale interruttore è ancora da anni utilizzato nei dispositivi funzionanti, gli scienziati suggeriscono che mostra un modo potenziale per collegare insieme tali interruttori molecolari per formare porte logiche molecolari per i futuri computer.
Interruttore molecolare: La punta di un microscopio a scansione a effetto tunnel (mostrato in argento) sonda un interruttore molecolare a forma di croce per accendere e spegnere una molecola vicina. Inducendo tensioni, la sonda fa sì che due atomi di idrogeno all'interno della molecola di naftalocianina si capovolgano da un orientamento all'altro.
I ricercatori nell'ultimo decennio hanno lavorato per utilizzare singole molecole come interruttori elettronici nella speranza che alla fine possano aiutare a rendere i dispositivi elettronici ancora più piccoli e potenti. (Vedi Computing molecolare .) Ma finora, tali sforzi hanno coinvolto processi molecolari che in qualche modo deformano la forma geometrica della molecola, dice Pietro Liljeroth , ricercatore presso Laboratorio di ricerca IBM Zurigo , in Svizzera.
Il problema è che cambiare la forma della molecola rende difficile collegarle insieme come interruttori. Se un ricercatore vuole realizzare qualcosa di più complicato di un semplice interruttore molecolare, come una porta logica, allora deve essere in grado di accoppiarli insieme, afferma Liljeroth. Avere un singolo interruttore molecolare non sarà davvero utile a nulla.
Liljeroth e i suoi colleghi sfruttano i cambiamenti atomici che avvengono al centro di una gabbia molecolare, che non altera la struttura complessiva della molecola. Nell'ultimo numero della rivista Scienza , il gruppo mostra come la sua molecola può essere accesa e spenta elettricamente. I ricercatori dimostrano anche come è possibile far funzionare insieme tre di queste molecole quando poste l'una accanto all'altra. Iniettare una corrente in una molecola cambierà lo stato di un'altra, dice Liljeroth.
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Guarda l'interruttore molecolare di IBM in azione.
Il rapporto costituisce un pezzo eccezionale e notevole di scienza fondamentale, afferma Fraser Stoddart , direttore del California Nanosistemi Institute presso l'Università della California, Los Angeles, che si occupa anche di commutazione molecolare.
La molecola IBM è una naftalocianina, una classe di composti utilizzati nelle vernici e nell'elettronica ottica organica a causa del loro intenso colore viola bluastro. La struttura della molecola di IBM forma una forma a croce che contiene due atomi di idrogeno opposti su entrambi i lati di un vuoto quadrato centrale.
Quando i ricercatori hanno posizionato la molecola su un substrato ultrasottile, è stato scoperto che questi atomi di idrogeno opposti si capovolgono dai lati di questo quadrante verso l'alto e il basso, o viceversa, quando è stata applicata una tensione sufficiente. Tuttavia, indipendentemente da quale di questi due stati si trova, la geometria della molecola rimane costante.
Quando viene applicata una tensione inferiore, è possibile leggere lo stato dell'interruttore misurando la corrente che lo attraversa. Una bassa tensione non lo commuta, quindi possiamo leggere lo stato della molecola, dice Liljeroth.
È una bella scienza, dice Mark Reed , un fisico della Yale University, a New Haven, CT, che studia i dispositivi molecolari. Il fatto che abbiano questo cambiamento reversibile della struttura è molto bello.
La scoperta di IBM è stata fatta per caso. Quello che stavamo effettivamente indagando era la vibrazione molecolare causata dall'aggiunta di elettroni alla molecola, afferma Liljeroth. Ma così facendo, i ricercatori hanno notato questo capovolgimento degli atomi di idrogeno, una reazione molecolare nota come tautomerizzazione.
Per commutare la molecola, il gruppo ha utilizzato un microscopio a effetto tunnel (STM) operante a temperature estremamente basse e nel vuoto. Tuttavia, la reazione è guidata elettricamente, anche se a picoampere, quindi l'STM non è necessario affinché questa reazione abbia luogo, afferma Liljeroth. Ma la bassa temperatura potrebbe essere un grosso ostacolo per rendere pratico il processo.
Per questa particolare molecola, la temperatura doveva essere mantenuta a soli cinque gradi kelvin affinché la reazione avvenisse in modo controllato. La reazione avviene ancora a temperatura ambiente, dice Liljeroth. Ma a temperatura ambiente, accadrebbe spontaneamente. Tuttavia, dice, c'è il potenziale per trovare nuove molecole che mostrino questo comportamento a temperature più elevate nella speranza di costruire eventualmente dispositivi logici.
Dimostrare che un interruttore molecolare può essere attivato e disattivato applicando una corrente a una molecola vicina è un primo passo verso tale logica. La capacità di applicare una tensione a una molecola e causare la tautomerizzazione di una vicina ha implicazioni interessanti per i dispositivi logici, afferma Stoddart. Ma, dice, il vincolo di temperatura rimane una sfida enorme.
Stoddart rifiuta anche il licenziamento da parte del gruppo IBM degli interruttori molecolari che cambiano forma; sostiene che tali molecole sono in uno stadio molto più avanzato e possono operare a temperatura ambiente. Trovo irritante che gli scienziati nel campo dell'elettronica molecolare continuino a essere ingiustamente sprezzanti nei confronti della ricerca di altri che è tecnologicamente molto più avanzata della loro, eppure ha anche una base teorica e sperimentale molto solida.
Anche Reed di Yale è scettico sulle implicazioni pratiche della scoperta di IBM. Qualsiasi discorso sulla trasformazione di questa reazione in un dispositivo equivale a un'eccessiva iperbole in questa fase, dice. È come dire che abbiamo scoperto i semiconduttori al silicio, quindi possiamo realizzare un Pentium.