En ny typ av molekylär switch

IBM-forskare har skapat en ny molekylär switch som kan slås på och av utan att ändra formen. Medan en sådan omkopplare fortfarande är åratal från att ha använts i fungerande enheter, föreslår forskarna att den visar ett potentiellt sätt att länka samman sådana molekylära switchar för att bilda molekylära logiska grindar för framtida datorer.

Molekylär switch: Spetsen på ett skanningstunnelmikroskop (visat i silver) sonderar en korsformad molekylär omkopplare för att slå på och av en angränsande molekyl. Genom att inducera spänningar får sonden två väteatomer i naftalocyaninmolekylen att vända från en orientering till en annan.

Forskare under det senaste decenniet har arbetat med att använda enskilda molekyler som elektroniska switchar i hopp om att de så småningom kommer att bidra till att göra elektroniska enheter ännu mindre och kraftfullare. (Se Molecular Computing .) Men hittills har sådana ansträngningar involverat molekylära processer som på något sätt deformerar molekylens geometriska form, säger Peter Liljeroth , forskare vid IBM Zurich Research Laboratory , i Schweiz.

Problemet är att en förändring av molekylens form gör det svårt att länka ihop dem som switchar. Om en forskare vill göra något mer komplicerat än bara en molekylär switch, till exempel en logisk grind, då måste han eller hon kunna koppla ihop dem, säger Liljeroth. Att ha en enda molekylär switch kommer inte att vara användbart för någonting.

Liljeroth och hans kollegor utnyttjar atomära förändringar som äger rum i mitten av en molekylär bur, vilket inte förändrar molekylens övergripande struktur. I senaste numret av tidskriften Vetenskap , visar gruppen hur dess molekyl kan kopplas på och av elektriskt. Forskarna visar också hur tre av dessa molekyler kan fås att fungera tillsammans när de placeras bredvid varandra. Att injicera en ström i en molekyl kommer att ändra tillståndet för en annan, säger Liljeroth.

Multimedia

• Se IBM:s molekylära switch i aktion.

Rapporten utgör ett enastående och anmärkningsvärt stycke grundläggande vetenskap, säger Fraser Stoddart , chef för California Nanosystems Institute vid University of California, Los Angeles, som också arbetar med molekylär omkoppling.

IBM-molekylen är en naftalocyanin, en klass av föreningar som används i färger och organisk optisk elektronik på grund av deras intensiva blålila färg. Strukturen hos IBM:s molekyl bildar en korsform som innehåller två motsatta väteatomer på vardera sidan av ett centralt kvadratiskt tomrum.

När forskarna placerade molekylen på ett ultratunt substrat, visade sig dessa motsatta väteatomer vända från sidorna av denna kvadrant till toppen och botten, eller vice versa, när en tillräcklig spänning applicerades. Men oavsett vilket av dessa två tillstånd den befinner sig i, förblir molekylens geometri konstant.

När en lägre spänning appliceras är det möjligt att avläsa strömbrytarens tillstånd genom att mäta strömmen som flyter genom den. En låg spänning kopplar inte om den, så vi kan avläsa molekylens tillstånd, säger Liljeroth.

Det är vacker vetenskap, säger Mark Reed , en fysiker vid Yale University, i New Haven, CT, som studerar molekylära enheter. Det faktum att de har denna reversibla förändring av strukturen är väldigt trevligt.

IBM:s upptäckt gjordes av en slump. Det vi faktiskt undersökte var den molekylära vibration som orsakades av att tillföra elektroner till molekylen, säger Liljeroth. Men när de gjorde det märkte forskarna denna vändning av väteatomer, en molekylär reaktion som kallas tautomerisering.

För att byta molekylen använde gruppen ett scanning tunneling microscope (STM) som arbetade vid extremt låga temperaturer och i vakuum. Reaktionen drivs dock elektriskt, om än vid picoamps, så STM är inte nödvändigt för att denna reaktion ska ske, säger Liljeroth. Men den låga temperaturen kan vara ett stort hinder för att göra processen praktisk.

För just denna molekyl behövde temperaturen hållas på bara fem grader kelvin för att reaktionen skulle ske på ett kontrollerat sätt. Reaktionen sker fortfarande i rumstemperatur, säger Liljeroth. Men vid rumstemperatur skulle det ske spontant. Ändå, säger han, finns potentialen att hitta nya molekyler som uppvisar detta beteende vid högre temperaturer i hopp om att så småningom bygga logiska enheter.

Att demonstrera att en molekylär omkopplare kan slås på och av genom att applicera en ström till en angränsande molekyl är ett första steg mot en sådan logik. Möjligheten att applicera en spänning på en molekyl och orsaka tautomerisering av en angränsande har intressanta konsekvenser för logiska enheter, säger Stoddart. Men, säger han, temperaturbegränsningen är fortfarande en stor utmaning.

Stoddart avvisar också IBM-gruppens avfärdande av molekylära switchar som ändrar form; han hävdar att sådana molekyler befinner sig i ett mycket mer avancerat stadium och kan fungera vid rumstemperatur. Jag tycker att det är förfärligt att forskare inom området molekylär elektronik fortsätter att vara orättvist avvisande mot forskning från andra som är mycket mer tekniskt avancerad än deras egen, och som ändå har en mycket bra teoretisk och experimentell grund för sig.

Yale's Reed är också skeptisk till de praktiska konsekvenserna av IBM-resultatet. Allt tal om att förvandla denna reaktion till en enhet uppgår till överdriven överdrift i detta skede, säger han. Det är som att säga att vi har upptäckt kiselhalvledare, därför kan vi göra en Pentium.

Dölj