Paggamit ng mga katangian ng kabuuan upang lumikha ng mga solong-molekular na aparato – isang kadena na may 6 na nanometers lamang ang haba

Ang isang bagong uri ng pagkagambala ng kabuuan ay nagbibigay-daan sa mga solong-molekular na switch na may mataas na / off na mga ratio. May-akda: Julia Greenwald at Suman Gunasekaran / Colombian Engineering

Ang koponan ng Colombian ay natuklasan ang isang 6-nanometer solong-molekular na kadena na may isang malaking on / off ratio dahil sa pagkagambala ng kabuuan; ang paghahanap ay maaaring paganahin ang mas mabilis, mas maliit at mas mahusay na enerhiya aparato.

Ang mga mananaliksik na pinangunahan ng Colombian engineering professor na si Lata Venkataraman ay nag-ulat ngayon na natuklasan nila ang isang bagong prinsipyo ng disenyo ng kemikal para sa paggamit ng mapanirang dami ng pagkagambala. Ginamit nila ang kanilang diskarte upang lumikha ng isang anim na metro na solong-molekular na paglipat kung saan ang kasalukuyang ay higit sa 10,000 beses sa kasalukuyang labas ng estado – ang pinakamalaking kasalukuyang pagbabago na nakamit para sa isang solong-molekular na circuit hanggang ngayon.

Ang bagong switch na ito ay umaasa sa isang uri ng interbensyon sa kabuuan na hindi pa nasisiyasat. Gumamit ang mga mananaliksik ng mahahabang mga molekula na may isang espesyal na gitnang bloke upang palakasin ang mapanirang dami ng pagkagambala sa pagitan ng iba’t ibang mga antas ng enerhiya ng electron. Ipinakita nila na ang kanilang diskarte ay maaaring magamit upang makabuo ng lubos na matatag at maaaring kopyahin ang mga solong-molekular na switch sa temperatura ng kuwarto na maaaring magdala ng mga alon na higit sa 0.1 microamperes sa mode na on-mode. Ang haba ng switch ay pareho sa laki ng pinakamaliit na computer chip na kasalukuyang nasa merkado, at ang mga pag-aari nito ay malapit sa mga komersyal na switch. Ang pag-aaral ay na-publish ngayon sa Nanotechnology ng kalikasan.

“Naobserbahan namin ang transportasyon sa pamamagitan ng anim na metro na wire na molekular, na kung saan ay mahusay dahil bihira ang pagdadala sa mga malalaking kaliskis,” sabi ni Venkataraman, Lawrence Guzman, propesor ng inilapat na pisika, propesor ng kimika at bise-rektor para sa guro. “Sa totoo lang, ito ang pinakamahabang molekula na nasukat namin sa aming lab.”

Sa nagdaang 45 taon, ang patuloy na pagbawas sa laki ng mga transistors ay napabuti ang pagproseso ng computer at patuloy na binawasan ang laki ng mga aparato. Ang mga smartphone ngayon ay naglalaman ng daan-daang milyong mga transistor na gawa sa silicon. Gayunpaman, ang mga modernong pamamaraan ng pagmamanupaktura ng mga transistor ay mabilis na papalapit sa laki at pagganap ng silikon. Kaya, upang magpatuloy ang pagproseso ng computer, kailangang bumuo ng mga mekanismo ng paglipat na maaaring magamit sa mga bagong materyales.

Ang Venkataraman ay nangunguna sa mga molekular electronics. Sinusukat ng kanyang lab ang mga pangunahing katangian ng mga solong-molekular na aparato sa pagsisikap na maunawaan ang mga pakikipag-ugnayan ng pisika, kimika, at engineering sa sukat ng nanometer. Partikular na interesado siya sa isang mas malalim na pag-unawa sa pangunahing physics ng electron transfer, habang inilalagay ang mga pundasyon para sa pagsulong ng teknolohikal.

Sa isang sukat ng nanometer, ang mga electron ay kumikilos tulad ng mga alon, hindi mga maliit na butil, at paglipat ng elektron ay nangyayari sa pamamagitan ng tunneling. Tulad ng mga alon sa ibabaw ng tubig, ang mga electron alon ay maaaring makagambala o mapanirang. Humahantong ito sa mga hindi linya na proseso. Halimbawa, kung ang dalawang alon ay nakabuluhang makagambala, ang amplitude (o taas) ng nagresultang alon ay mas malaki kaysa sa kabuuan ng dalawang independiyenteng alon. Ang dalawang alon ay maaaring ganap na baligtarin ng mapanirang pagkagambala.

“Ang katotohanan na ang mga electron ay kumikilos tulad ng mga alon ay ang kakanyahan ng mga mekanika ng kabuuan,” sinabi ni Venkataraman.

Sa isang sukat na molekular, nangingibabaw ang mga epektong mekanikal na epekto sa transportasyon ng electron. Matagal nang hinulaan ng mga mananaliksik na ang mga hindi linya na epekto na dulot ng pagkagambala ng kabuuan ay dapat na buksan ang mga solong-molekular na switch na may malaking ratio na on / off. Kung maaari nilang magamit ang mga katangiang mekanikal na katangian ng mga molekula upang makagawa ng mga elemento ng circuit, maaari silang magsama ng mas mabilis, mas maliit, at mas malakas na enerhiya na mga aparato, kabilang ang mga circuit breaker.

“Ang katha ng mga transistors mula sa solong mga molekula ay kumakatawan sa panghuli na limitasyon sa mga tuntunin ng miniaturization at maaaring magbigay ng exponentially mas mabilis na pagproseso habang binabawasan ang pagkonsumo ng kuryente,” sabi ni Venkataraman. “Ang paglikha ng mga solong-molekular na aparato na matatag at may kakayahang suportahan ang paulit-ulit na mga siklo ng paglipat ay isang hindi gaanong gawain. Ang aming mga resulta ay nagbigay daan sa paglikha ng mga solong-molekular na timbang na transistor. “

Ang karaniwang pagkakatulad ay isipin ang mga transistor bilang isang balbula sa isang tubo. Kapag ang balbula ay bukas, ang tubig ay dumadaloy sa pamamagitan ng tubo. Kapag ito ay sarado, ang tubig ay hinarangan. Sa mga transistor, ang daloy ng tubig ay napalitan ng daloy ng mga electron o kasalukuyang. Ang mga daloy ay dumadaloy sa rehimen ng estado. Sa offline na estado, na-block ang kasalukuyang. Sa isip, ang dami ng kasalukuyang dumadaloy sa mga mode na on at off ay dapat na ibang-iba; kung hindi man ang transistor ay katulad ng isang leaky tube kung saan mahirap sabihin kung ang balbula ay bukas o sarado. Dahil ang mga transistors ay gumagana bilang mga switch, ang unang hakbang sa pagbuo ng mga molekular transistor ay upang makabuo ng mga system kung saan maaari mong ilipat ang kasalukuyang daloy sa pagitan ng at sa mga estado. Ang karamihan sa mga nakaraang disenyo ay lumikha ng mga butas na transistor na gumagamit ng maikling mga molekula kung saan ang pagkakaiba sa pagitan ng at hindi aktibo na estado ay hindi makabuluhan.

Upang mapagtagumpayan ito, hinarap ng Venkataraman at ng kanyang koponan ang isang bilang ng mga hadlang. Ang kanilang pangunahing gawain ay ang paggamit ng mga prinsipyo ng disenyo ng kemikal upang lumikha ng mga tanikala ng molekula kung saan ang mga malalaking epekto ng panghihimasok ay maaaring mahigpit na sugpuin ang kasalukuyang nasa nakataas na estado, at dahil doon ay nagpapagaan ng mga problema sa pagtagas.

“Mahirap na ganap na iwaksi ang daloy ng kasalukuyang sa mga maiikling molekula dahil sa higit na posibilidad na ang dami ng mekanikal na tunneling sa mas maiikling kaliskis,” paliwanag ng pinuno ng may-akda na si Julia Greenwald, isang nagtapos na mag-aaral sa lab ng Venkataraman. “Ang baligtad ay totoo para sa mahabang mga molekula, kung saan madalas mahirap makamit ang mataas na alon sa isang estado dahil ang posibilidad ng pag-tunneling ay tumataas sa haba. Ang mga circuit na binuo namin ay natatangi sa kanilang haba at malalaking on / off na ratios; Ngayon maaari nating makamit ang parehong mataas na kasalukuyang sa estado at napakababang kasalukuyang sa estado. “

Ang koponan ng Venkataraman ay lumikha ng kanilang mga aparato gamit ang mahabang mga molekula na na-synthesize ni Peter Skabara, departamento ng kimika ni Ramsey at ng kanyang pangkat. University of Glasgow. Ang mga mahahabang molekula ay madaling makuha sa pagitan ng mga contact ng metal, na lumilikha ng mga solong-molekular na tanikala. Ang mga circuit ay napaka matatag at maaaring paulit-ulit na mapanatili ang isang mataas na boltahe (higit sa 1.5 V). Ang elektronikong istraktura ng mga molekula ay nagpapalaki ng mga epekto ng pagkagambala, pinapayagan ang isang binibigkas na hindi linya sa kasalukuyang depende sa inilapat na boltahe, na nagreresulta sa isang napakalaking ratio ng kasalukuyang sa estado at kasalukuyang labas ng estado.

Patuloy na nagtatrabaho ang mga mananaliksik sa koponan ng University of Glasgow upang makita kung ang kanilang diskarte sa disenyo ay maaaring mailapat sa iba pang mga molekula, at upang makabuo ng isang sistema kung saan ang paglipat ay maaaring maging sanhi ng isang panlabas na pampasigla.

“Ang aming konstruksyon ng switch ng solong-molekula ay isang kapanapanabik na hakbang patungo sa ilalim ng disenyo ng materyal gamit ang mga bloke ng gusali na molekular,” sabi ni Greenwald. “Ang paglikha ng mga elektronikong aparato na may solong mga molekula na kumikilos bilang mga bahagi ng isang kadena ay magiging tunay na nagbabagong anyo.”

Tungkol sa pag-aaral

Ang pag-aaral ay pinamagatang “Highly Nonlinear Transport through Monomolecular Compounds through Destructive Quantum Interference.”

Mga May-akda: Julia E. Greenwald 1, Joseph Cameron 2, Neil J. Findley 2, Tianren Fu 1, Suman Gunasekaran 1, Peter J. Skabara 2 at Lata Venkataraman 1.3?

1 Kagawaran ng Kimika, Columbia University

2WestCHEM, School of Chemistry, University of Glasgow

3DDepartamento ng Applied Physics at Matematika, Colombian Engineering

Ang pag-aaral ay suportado ng National Science Funds (NSF), mga nagtapos na iskolarsip DGE-1644869, bigyan ang NSF CHE-1764256, NSF DMR-1807580, bigyan ang EP / P02744X / 2 at EP / N035496 / 2.

Tulong: “Napaka-hindi linya na transportasyon sa pamamagitan ng solong mga molekular compound sa pamamagitan ng mapanirang pagkagambala ng dami.” Disyembre 7, 2020, Nanotechnology ng kalikasan.
DOI: 10.1038 / s41565-020-00807-x

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Ang pag-iimbak ng nababagong enerhiya sa mga bato sa halip na mga baterya ng lithium

Kapag may labis na kuryente mula sa hangin o solar na enerhiya, sisingilin ang supply ng enerhiya. Ginagawa ito gamit ang isang sistema...

Ang Flat Pasta ay Pinagbuti Na Ang Morphs Sa Hugis Kapag Luto

Pinangunahan ng CMU Lab ang pagbuo ng pasta na humuhubog kapag luto na. Kredito: Carnegie Mellon University Ang mga flat-pack noodle ay lumilikha ng...

Mga debate sa mga Dalubhasa: Na-diagnose ba ang PTSD?

Ang ilang mga klinika ay nag-aalala na post-traumatic stress disorder (PTSD) ang diyagnosis ay nadagdagan sa buong lipunan ng Kanluran mula pa noong huling...

Ang ilaw ng Zap ay nagpapalit ng mga kulay at pattern ng mga bagay

Ang bagong sistema ay gumagamit ng ilaw na UV na inaasahang sa mga bagay na natatakpan ng isang tinain na pinapagana ng ilaw upang...

Oo, Maaari kang Magkaroon ng Higit sa 150 Mga Kaibigan

Ang mga indibidwal ay maaaring mapanatili ang matatag na mga pakikipag-ugnay sa lipunan na may halos 150 katao. Ito ay isang mungkahi na...

Newsletter

Subscribe to stay updated.