Juntan moléculas una a una en fila y controlan sus cargas eléctricas

Diminutos circuitos electrónicos nos ayudan en nuestra vida cotidiana, desde los de las pequeñas cámaras de nuestros teléfonos móviles hasta los presentes en los microprocesadores de nuestros ordenadores. Para miniaturizar todavía más esos dispositivos, científicos e ingenieros están diseñando componentes de circuitos a partir de moléculas individuales. Los circuitos miniaturizados hasta tal extremo no solo podrían ofrecer los beneficios de una mayor cantidad de dispositivos en el mismo espacio, más velocidad y mayor eficiencia energética, sino que el aprovechamiento de las propiedades físicas de moléculas específicas podría conducir a dispositivos con funcionalidades únicas. Sin embargo, el desarrollo de dispositivos electrónicos nanométricos prácticos a partir de moléculas individuales requiere un control preciso del comportamiento electrónico de esas moléculas, y un método fiable para fabricarlas.

Ahora, unos investigadores han desarrollado un método para fabricar un conjunto unidimensional de moléculas individuales y para controlar con precisión su estructura electrónica. En este caso, por unidimensional se entiende un hilo de moléculas que de ancho y alto solo tiene una molécula, poseyendo más de una solo en su longitud.

Mediante un ajuste cuidadoso del voltaje aplicado a una cadena de moléculas colocada sobre grafeno (una lámina de carbono con solo un átomo de espesor), Michael Crommie, del Laboratorio Nacional estadounidense Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), y sus colegas han comprobado que pueden controlar si todas, ninguna o algunas de las moléculas llevan una carga eléctrica. El patrón de carga resultante puede entonces ser desplazado a lo largo de la cadena manipulando las moléculas individuales al final de la cadena.

El rasgo clave de la molécula rica en flúor seleccionada por el equipo del Laboratorio de Berkeley es su fuerte tendencia a aceptar electrones. Para controlar las propiedades electrónicas de una cadena bien alineada de 15 moléculas de este tipo depositadas en un sustrato de grafeno, Crommie y sus colegas colocaron un electrodo metálico debajo del grafeno que también estaba separado de él por una fina capa aislante. Aplicando un voltaje entre las moléculas y el electrodo, los electrones entran o salen de las moléculas. De esta manera, las moléculas depositadas sobre el grafeno se comportan como un condensador, un componente eléctrico utilizado en un circuito para almacenar y liberar carga eléctrica. Pero, a diferencia de un condensador macroscópico “normal”, al ajustar el voltaje del electrodo inferior los investigadores lograron controlar qué moléculas se cargaban y cuáles permanecían neutras.

Como era de esperar, al aplicar el adecuado voltaje al electrodo metálico debajo del grafeno sobre el que estaban colocadas las moléculas, estas se llenaban de electrones, dejando toda la matriz molecular en un estado de carga negativa. Eliminar o invertir ese voltaje hacía que todos los electrones añadidos salieran de las moléculas, devolviendo toda la matriz a un estado de carga neutral.

Sin embargo, a un voltaje intermedio, los electrones llenan solo una molécula de cada par. O sea que llenan una pero no la de al lado y sí la siguiente, como se alternan casillas blancas y negras en un tablero de ajedrez. Crommie y su equipo atribuyen este llamativo comportamiento al hecho de que los electrones se repelen entre sí. Si dos moléculas cargadas ocuparan momentáneamente sitios adyacentes, su repulsión alejaría a uno de los electrones y lo obligaría a establecerse una “casilla” más allá en el “tablero” de la fila molecular.

“Podemos hacer que todas las moléculas estén vacías de carga, o todas llenas, o alternándose. Llamamos a eso un patrón de carga colectiva porque está determinado por la repulsión electrón-electrón en toda la estructura”, explica Crommie. (Fuente: NCYT de Amazings)

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