Створено перший електричний вимикач на базі єдиної молекули

Група вчених з університету Базеля (University of Basel), Швейцарія, і Технологічного інституту Карлсруе (Karlsruhe Institute of Technology, KIT), Німеччина, розробили структуру, виготовили і провели випробування одного з найменших у світі електричних вимикачів.

Основою цього вимикача є єдина молекула речовини, синтезована таким чином, щоб надати цій молекулі необхідні електричні та механічні властивості. Це досягнення є одним з великих кроків на шляху просування теоретичних ідей до практичного втілення елементів так званої молекулярної електроніки.

Форма синтезованої молекули чимось нагадує триногий місячний посадковий модуль, на вершині якого знаходиться активна частина перемикача. Його три “ноги” мають спеціальні “якірні” хімічні групи, що забезпечують міцне і надійне зчеплення з поверхнею покритого золотом підстави. Роль активного елементу виконує Нітрилова група, яка виступає досить далеко за межі решти молекули.

Другим електродом цього “вимикача” є наконечник тунельного скануючого мікроскопа, і при його ж допомоги здійснюється управління станом вимикача . Коли наконечник мікроскопа входить в контакт з “стирчить” нітриловою групою, то через молекулу починає текти електричний струм, а електрична провідність молекули залежить від положення нітриловою групи. Чим сильніше вона притискається наконечником мікроскопа в сторону молекули, тим нижче стає електричний опір і тим “якісніше” включається цей молекулярний вимикач.

Нітрилова група має так званий дипольний момент, нерівномірність розподілу позитивного і негативного електричного заряду. Це дозволяє, крім механічного способу, керувати станом вимикача за допомогою електричного поля. Змінюючи полярність і силу потенціалу на наконечнику мікроскопа, можна змусити Нітрилові групу або наблизитися до іншої молекулі або навпаки, віддалитися від неї, включаючи або вимикаючи молекулярний вимикач.

Ще одним цікавим моментом є те, що контакт між молекулою і наконечником мікроскопа може бути встановлений або розірваний як завгодно велику кількість разів, не викликаючи залишкових деформацій структури молекули. Така висока надійність є наслідком низки теоретичних розрахунків, що дозволили розрахувати форму окремої молекули, яка повинна володіти набором певних властивостей. Дані дослідження проводилися під фінансуванням від німецького Дослідницький фонду, відповідна програма якого спрямована на об’єднання методів функціонального теоретичного моделювання з практичними експериментами в області малих сил і енергій, що діють на рівні окремих молекул.