En ny type molekylær switch

IBM-forskere har skabt en ny molekylær switch, der er i stand til at tænde og slukke uden at ændre formen. Mens en sådan switch stadig er år fra at blive brugt i fungerende enheder, foreslår forskerne, at den viser en potentiel måde at forbinde sådanne molekylære switches for at danne molekylære logiske porte til fremtidige computere.

Molekylær switch: Spidsen af ​​et scanningstunnelmikroskop (vist i sølv) sonderer en krydsformet molekylær kontakt for at tænde og slukke for et nabomolekyle. Ved at inducere spændinger får sonden to brintatomer i naphthalocyanin-molekylet til at vende fra en orientering til en anden.

Forskere i løbet af det sidste årti har arbejdet på at bruge individuelle molekyler som elektroniske switche i håbet om, at de med tiden vil hjælpe med at gøre elektroniske enheder endnu mindre og mere kraftfulde. (Se Molecular Computing.) Men indtil videre har sådanne bestræbelser involveret molekylære processer, der på en eller anden måde deformerer molekylets geometriske form, siger Peter Liljeroth , forsker ved IBM Zurich Research Laboratory , i Schweiz.

Problemet er, at ændring af molekylets form gør det vanskeligt at forbinde dem som switches. Hvis en forsker vil lave noget mere kompliceret end blot en molekylær switch, såsom en logisk port, så skal han eller hun kunne koble dem sammen, siger Liljeroth. At have en enkelt molekylær switch vil ikke rigtig være nyttigt til noget.

Liljeroth og hans kolleger udnytter atomændringer, der finder sted i midten af ​​et molekylært bur, hvilket ikke ændrer molekylets overordnede struktur. I det seneste nummer af tidsskriftet Videnskab , viser gruppen, hvordan dets molekyle kan tændes og slukkes elektrisk. Forskerne demonstrerer også, hvordan tre af disse molekyler kan fås til at arbejde sammen, når de placeres ved siden af ​​hinanden. Indsprøjtning af en strøm i et molekyle vil ændre tilstanden af ​​et andet, siger Liljeroth.

Multimedier

• Se IBMs molekylære switch i aktion.

Rapporten udgør et fremragende og bemærkelsesværdigt stykke grundlæggende videnskab, siger Fraser Stoddart , direktør for California Nanosystems Institute ved University of California, Los Angeles, som også arbejder med molekylær omstilling.

IBM-molekylet er en naphthalocyanin, en klasse af forbindelser, der bruges i maling og organisk optisk elektronik på grund af deres intense blålilla farve. Strukturen af ​​IBMs molekyle danner en krydsform, der indeholder to modstående brintatomer på hver side af et centralt firkantet hulrum.

Da forskerne placerede molekylet på et ultratyndt substrat, viste disse modstående brintatomer sig at vende fra siderne af denne kvadrant til toppen og bunden, eller omvendt, når en tilstrækkelig spænding blev påført. Men uanset hvilken af ​​disse to tilstande det er i, forbliver molekylets geometri konstant.

Når en lavere spænding påføres, er det muligt at aflæse kontaktens tilstand ved at måle strømmen, der løber gennem den. En lavspænding skifter den ikke, så vi kan aflæse molekylets tilstand, siger Liljeroth.

Det er smuk videnskab, siger Mark Reed , en fysiker ved Yale University i New Haven, CT, som studerer molekylære enheder. Det faktum, at de har denne reversible ændring af strukturen, er meget rart.

IBMs opdagelse blev gjort ved et uheld. Det, vi faktisk undersøgte, var den molekylære vibration forårsaget af at tilføje elektroner til molekylet, siger Liljeroth. Men ved at gøre det bemærkede forskerne denne vending af brintatomer, en molekylær reaktion kendt som tautomerisering.

For at skifte molekylet brugte gruppen et scanning tunneling mikroskop (STM), der opererede ved ekstremt lave temperaturer og i et vakuum. Reaktionen drives dog elektrisk, dog ved picoamps, så STM'en er ikke nødvendig for, at denne reaktion kan finde sted, siger Liljeroth. Men den lave temperatur kan være en stor hindring for at gøre processen praktisk.

For netop dette molekyle skulle temperaturen holdes på kun fem grader kelvin, for at reaktionen kunne foregå på en kontrolleret måde. Reaktionen sker stadig ved stuetemperatur, siger Liljeroth. Men ved stuetemperatur ville det ske spontant. Ikke desto mindre, siger han, er potentialet der for at finde nye molekyler, der udviser denne adfærd ved højere temperaturer i håbet om til sidst at bygge logiske enheder.

At demonstrere, at en molekylær switch kan tændes og slukkes ved at påføre en strøm til et nabomolekyle er et første skridt hen imod en sådan logik. Evnen til at påføre en spænding til et molekyle og forårsage tautomerisering af et nabo har interessante konsekvenser for logiske enheder, siger Stoddart. Men, siger han, temperaturbegrænsningen er fortsat en stor udfordring.

Stoddart afviser også IBM-koncernens afvisning af molekylære switches, der ændrer form; han hævder, at sådanne molekyler er på et meget mere avanceret stadium og kan fungere ved stuetemperatur. Jeg synes, det er forfærdeligt, at forskere inden for molekylær elektronik fortsætter med at være uretfærdigt afvisende over for andres forskning, der er meget mere teknologisk avanceret end deres egen, og som alligevel også har et meget solidt teoretisk og eksperimentelt grundlag for det.

Yale's Reed er også skeptisk over for de praktiske konsekvenser af IBM-fundet. Enhver snak om at omdanne denne reaktion til en enhed svarer til overdreven hyperbole på dette stadium, siger han. Det er som at sige, at vi har opdaget siliciumhalvledere, derfor kan vi lave en Pentium.

skjule