El acelerado desarrollo tecnológico de las últimas décadas, ha llevado a la humanidad a adaptarse rápidamente a nuevos conceptos e innovaciones. Dentro de una sociedad hambrienta de conocimiento, ha sido posible evolucionar desde gigantescas y costosas máquinas de cómputo a computadoras portátiles, teléfonos móviles, revolucionarios sistemas médicos y un amplio espectro de herramientas electrónicas hoy en día fácilmente adquiribles, producto del desarrollo de dispositivos semiconductores cada vez más rápidos y con mayor capacidad de almacenamiento de datos como es el caso de las memorias digitales. Sin embargo, el aumento de la velocidad de respuesta y el número de transistores por chip han generando nuevos problemas para los diseñadores, quienes se han empeñado durante las últimas décadas en buscar soluciones que corrijan los efectos colaterales no deseados que surgen con la revolución provocada por la miniaturización.
Gran parte de la actividad cotidiana de las personas implica la utilización de dispositivos que funcionan gracias a componentes electrónicos. Estos componentes se han perfeccionado durante las últimas cuatro décadas utilizando básicamente materiales semiconductores inorgánicos, entre los cuales el silicio es el protagonista indiscutible. Sin embargo, la tecnología del silicio tiene sus limitaciones y, desde principios de los años 1990, se está dedicando un gran esfuerzo científico al desarrollo de una nueva electrónica basada en la utilización de materiales moleculares electroactivos. Estos materiales son de naturaleza orgánica, incluyendo desde moléculas de pequeño tamaño formadas por pocos átomos, hasta polímeros o macromoléculas, y son capaces de responder a estímulos eléctricos y luminosos de forma similar a los conductores y semiconductores inorgánicos. Sin lugar a dudas, el acontecimiento que más ha contribuido al desarrollo de los materiales moleculares electroactivos fue el descubrimiento de los polímeros conductores, conocidos también como plásticos que conducen la electricidad, merecedores del premio Nobel de Química del año 2000.
Siempre se ha enseñado, y la experiencia cotidiana así lo confirma, que los plásticos, a diferencia de los metales, no conducen la corriente eléctrica. De hecho, los plásticos se utilizan para aislar los hilos de cobre en el cableado eléctrico. Esta perspectiva ha cambiado en los últimos años con el descubrimiento de que ciertos plásticos, polímeros conjugados con alternancia de simples y dobles enlaces de carbono, se convierten en conductores eléctricos cuando se retiran o se introducen electrones en la cadena polimérica. Se está en presencia, por tanto, ante nuevos materiales que ofrecen las propiedades eléctricas y ópticas de los metales y semiconductores, junto con las atractivas propiedades mecánicas, las ventajas de procesado y el bajo costo económico de los polímeros. A estas ventajas hay que añadir el gran potencial de la síntesis química para modificar las propiedades del material mediante cambios en la estructura química de los sistemas componentes. Los materiales moleculares electroactivos están siendo desarrollados industrialmente para su utilización en aplicaciones tan diversas como baterías orgánicas, músculos artificiales, pantallas de teléfonos móviles, células solares, narices electrónicas, etc.
La electrónica molecular, a veces llamada moletrónica, es la rama de la ciencia que estudia el uso de moléculas orgánicas en la electrónica. Los primeros trabajos acerca de la transferencia de cargas eléctricas entre moléculas fueron realizados por los investigadores Robert Mulliken y Albert Szent-Gyorgi en 1940. Sin embargo, el primer dispositivo moletrónico no fue desarrollado hasta 1974, año en el que se construye un biestable de melanina. En el año 1988 fue descrita una molécula capaz de actuar como un transistor de efecto campo. La moletrónica hace referencia a cualquier sistema con aparatos electrónicos con precisión atómica de dimensión nanométrica, especialmente si está fabricado con componentes moleculares en vez de con materiales continuos encontrados en los aparatos semiconductores actuales. La electrónica molecular es el conjunto de comportamientos electrónicos en estructuras que contienen moléculas que dependen de la organización molecular característica del espacio.
La construcción de un sistema electrónico utilizando moléculas individuales es una de las metas fundamentales en la nanotecnología. Para lograr esto será necesario medir, controlar y comprender el transporte de los electrones a través de moléculas en contacto con los electrodos. Los temas que abarca esta tecnología incluyen cables moleculares, interruptores de dos terminales, diodos, transistores de tres terminales y dispositivos híbridos que utilizan diferentes señales como la luz, campos magnéticos y las señales químicas y mecánicas, para controlar el transporte de electrones en las moléculas. El transporte de electrones a través de la molécula puede ser controlado eléctricamente, magnéticamente, con medios ópticos, con mecánica, con química y por medios electroquímicos, dando lugar a diversas aplicaciones. Para alcanzar el objetivo final, se deben utilizar técnicas experimentales para fabricar este tipo de sistema electrodo-molécula-electrodo y métodos teóricos para describir las propiedades de transporte de electrones.
Una separación del orden de nanómetros entre dos electrodos de metal se puede realizar, ajustado mecánicamente mediante este método. La técnica que se describe de manera breve se denomina “Conjunción de Roturas Controlable Mecánicamente” y permite conectar moléculas individuales, proporcionando un medio de estudiar el transporte electrónico de las mismas. El principio se basa en producir mediante la rotura de un alambre, que está montado en una superficie que se puede curvar, los terminales de dos alambres y estos quedan separados por una distancia muy pequeña, que se puede ajustar, controlando el curvado de la superficie. Una vez formado el puente molecular esta unión se somete a fuerzas que la deforman mecánicamente, resultando diferentes configuraciones con diferentes propiedades electrónicas.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Alberta y el Instituto Nacional de Nanotecnología del Consejo Nacional de Investigación de Canadá ha diseñado un nuevo concepto para un transistor de una sola molécula. Por primera vez, los investigadores han demostrado que un solo átomo sobre una superficie de silicio puede regular la conductividad de una molécula cercana. La miniaturización de la microelectrónica requería un nuevo avance de este tipo para seguir desarrollándose; un nuevo concepto para traspasar los límites de tecnología convencional de transistores. Estos científicos realizaron sus experimentos con el fin de examinar la posibilidad de desarrollar transistores eléctricos a escala molecular. Su enfoque ha logrado resolver lo que hasta ahora era una barrera que impedía la fabricación de un aparato molecular, el hecho de conseguir que lleguen conexiones a una sola molécula.
Esta nueva investigación demuestra que se puede cargar de forma controlada un único átomo sobre una superficie de silicio mientras que todos los demás átomos alrededor permanecen neutrales. Al "afinar" una molécula al lado del sitio cargado, una corriente eléctrica puede fluir a través de la molécula de un electrodo a otro. Se puede apagar y encender la corriente que corre por la molécula al cambiar el estado de carga del átomo adyacente. Esto abre nuevas puertas para la fabricación de nano aparatos con un rendimiento increíble. Según el director del equipo de científicos el Dr. Robert Wolkow explica; "Una tecnología basada en este concepto exigiría menos energía, produciría mucho menos calor y funcionaría con mucho más velocidad". Este equipo de científicos resolvió el problema de conexión al utilizar el campo electrostático que emana desde un átomo para regular la conductividad de una molécula, permitiendo correr una corriente eléctrica a través de la molécula. Estos efectos se pudieron observar a temperatura de ambiente, a diferencia de anteriores experimentos con moléculas que tenían que ser desarrollados bajo temperaturas de casi cero grados para medir un cambio en la conductividad. Otro gran logro de este estudio es el hecho que solo se requiere un electrón del átomo para encender o apagar la conductividad molecular. En un transistor convencional, esta acción requiere aproximadamente un millón de electrones.
Gran parte de la actividad cotidiana de las personas implica la utilización de dispositivos que funcionan gracias a componentes electrónicos. Estos componentes se han perfeccionado durante las últimas cuatro décadas utilizando básicamente materiales semiconductores inorgánicos, entre los cuales el silicio es el protagonista indiscutible. Sin embargo, la tecnología del silicio tiene sus limitaciones y, desde principios de los años 1990, se está dedicando un gran esfuerzo científico al desarrollo de una nueva electrónica basada en la utilización de materiales moleculares electroactivos. Estos materiales son de naturaleza orgánica, incluyendo desde moléculas de pequeño tamaño formadas por pocos átomos, hasta polímeros o macromoléculas, y son capaces de responder a estímulos eléctricos y luminosos de forma similar a los conductores y semiconductores inorgánicos. Sin lugar a dudas, el acontecimiento que más ha contribuido al desarrollo de los materiales moleculares electroactivos fue el descubrimiento de los polímeros conductores, conocidos también como plásticos que conducen la electricidad, merecedores del premio Nobel de Química del año 2000.
Siempre se ha enseñado, y la experiencia cotidiana así lo confirma, que los plásticos, a diferencia de los metales, no conducen la corriente eléctrica. De hecho, los plásticos se utilizan para aislar los hilos de cobre en el cableado eléctrico. Esta perspectiva ha cambiado en los últimos años con el descubrimiento de que ciertos plásticos, polímeros conjugados con alternancia de simples y dobles enlaces de carbono, se convierten en conductores eléctricos cuando se retiran o se introducen electrones en la cadena polimérica. Se está en presencia, por tanto, ante nuevos materiales que ofrecen las propiedades eléctricas y ópticas de los metales y semiconductores, junto con las atractivas propiedades mecánicas, las ventajas de procesado y el bajo costo económico de los polímeros. A estas ventajas hay que añadir el gran potencial de la síntesis química para modificar las propiedades del material mediante cambios en la estructura química de los sistemas componentes. Los materiales moleculares electroactivos están siendo desarrollados industrialmente para su utilización en aplicaciones tan diversas como baterías orgánicas, músculos artificiales, pantallas de teléfonos móviles, células solares, narices electrónicas, etc.
La electrónica molecular, a veces llamada moletrónica, es la rama de la ciencia que estudia el uso de moléculas orgánicas en la electrónica. Los primeros trabajos acerca de la transferencia de cargas eléctricas entre moléculas fueron realizados por los investigadores Robert Mulliken y Albert Szent-Gyorgi en 1940. Sin embargo, el primer dispositivo moletrónico no fue desarrollado hasta 1974, año en el que se construye un biestable de melanina. En el año 1988 fue descrita una molécula capaz de actuar como un transistor de efecto campo. La moletrónica hace referencia a cualquier sistema con aparatos electrónicos con precisión atómica de dimensión nanométrica, especialmente si está fabricado con componentes moleculares en vez de con materiales continuos encontrados en los aparatos semiconductores actuales. La electrónica molecular es el conjunto de comportamientos electrónicos en estructuras que contienen moléculas que dependen de la organización molecular característica del espacio.
La construcción de un sistema electrónico utilizando moléculas individuales es una de las metas fundamentales en la nanotecnología. Para lograr esto será necesario medir, controlar y comprender el transporte de los electrones a través de moléculas en contacto con los electrodos. Los temas que abarca esta tecnología incluyen cables moleculares, interruptores de dos terminales, diodos, transistores de tres terminales y dispositivos híbridos que utilizan diferentes señales como la luz, campos magnéticos y las señales químicas y mecánicas, para controlar el transporte de electrones en las moléculas. El transporte de electrones a través de la molécula puede ser controlado eléctricamente, magnéticamente, con medios ópticos, con mecánica, con química y por medios electroquímicos, dando lugar a diversas aplicaciones. Para alcanzar el objetivo final, se deben utilizar técnicas experimentales para fabricar este tipo de sistema electrodo-molécula-electrodo y métodos teóricos para describir las propiedades de transporte de electrones.
Una separación del orden de nanómetros entre dos electrodos de metal se puede realizar, ajustado mecánicamente mediante este método. La técnica que se describe de manera breve se denomina “Conjunción de Roturas Controlable Mecánicamente” y permite conectar moléculas individuales, proporcionando un medio de estudiar el transporte electrónico de las mismas. El principio se basa en producir mediante la rotura de un alambre, que está montado en una superficie que se puede curvar, los terminales de dos alambres y estos quedan separados por una distancia muy pequeña, que se puede ajustar, controlando el curvado de la superficie. Una vez formado el puente molecular esta unión se somete a fuerzas que la deforman mecánicamente, resultando diferentes configuraciones con diferentes propiedades electrónicas.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Alberta y el Instituto Nacional de Nanotecnología del Consejo Nacional de Investigación de Canadá ha diseñado un nuevo concepto para un transistor de una sola molécula. Por primera vez, los investigadores han demostrado que un solo átomo sobre una superficie de silicio puede regular la conductividad de una molécula cercana. La miniaturización de la microelectrónica requería un nuevo avance de este tipo para seguir desarrollándose; un nuevo concepto para traspasar los límites de tecnología convencional de transistores. Estos científicos realizaron sus experimentos con el fin de examinar la posibilidad de desarrollar transistores eléctricos a escala molecular. Su enfoque ha logrado resolver lo que hasta ahora era una barrera que impedía la fabricación de un aparato molecular, el hecho de conseguir que lleguen conexiones a una sola molécula.
Esta nueva investigación demuestra que se puede cargar de forma controlada un único átomo sobre una superficie de silicio mientras que todos los demás átomos alrededor permanecen neutrales. Al "afinar" una molécula al lado del sitio cargado, una corriente eléctrica puede fluir a través de la molécula de un electrodo a otro. Se puede apagar y encender la corriente que corre por la molécula al cambiar el estado de carga del átomo adyacente. Esto abre nuevas puertas para la fabricación de nano aparatos con un rendimiento increíble. Según el director del equipo de científicos el Dr. Robert Wolkow explica; "Una tecnología basada en este concepto exigiría menos energía, produciría mucho menos calor y funcionaría con mucho más velocidad". Este equipo de científicos resolvió el problema de conexión al utilizar el campo electrostático que emana desde un átomo para regular la conductividad de una molécula, permitiendo correr una corriente eléctrica a través de la molécula. Estos efectos se pudieron observar a temperatura de ambiente, a diferencia de anteriores experimentos con moléculas que tenían que ser desarrollados bajo temperaturas de casi cero grados para medir un cambio en la conductividad. Otro gran logro de este estudio es el hecho que solo se requiere un electrón del átomo para encender o apagar la conductividad molecular. En un transistor convencional, esta acción requiere aproximadamente un millón de electrones.
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