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Interruptor de una sola molécula abre las puertas a la electrónica biomolecular
(NC&T) El logro es obra de un equipo de científicos liderados por el biofísico Stuart Lindsay del Instituto de Biodiseño en la Universidad Estatal de Arizona.
La molécula expresamente diseñada, un oglímero de hepta-anilina, pertenece a un grupo de moléculas que los bioquímicos han considerado durante mucho tiempo capaces de ser interruptores moleculares, pero no habían logrado manifestar esas propiedades en experimentos de conductancia. El equipo resolvió el problema desarrollando una técnica donde la molécula puede analizarse en una solución electrolítica, algo nunca antes intentado debido al problema de la interacción entre la solución y los electrodos.
Casi todo lo conocido sobre la transferencia de carga en moléculas se basa en mediciones realizadas con dichas moléculas suspendidas en una solución. Se sabe que el disolvente tiene un papel importante en los procesos de transferencia de carga (los iones en la solución son necesarios para que ocurra el proceso). Pero la mayoría de las mediciones de "electrónica molecular" hechas hasta el momento han sido realizadas al vacío o en otras condiciones que suprimen los eventos propiciados por el disolvente. Debido a ello, no podían conseguirse resultados fiables.
Aunque se han identificado numerosas moléculas como objetivos para uso futuro en componentes nanoelectrónicos como interruptores, dispositivos fotoeléctricos y generadores de hidrógeno, algunos problemas técnicos importantes han frenado la investigación. El primero de ellos ha sido la dificultad de hacer conexiones fiables con moléculas aisladas para probar su comportamiento eléctrico. Este problema parece haber sido resuelto recientemente usando el microscopio SPM (Scanning Probe Microscope) para hacer y medir contactos de una molécula con otras, diseñadas para unir sus extremos con una superficie y la punta de la sonda.
El segundo problema, sin embargo, ha sido que estas moléculas conectadas no manifestaron las propiedades eléctricas predichas cuando se probaron sin una solución conductora. Los físicos que realizaron estas mediciones evitaban usar soluciones electrolíticas debido a la fuga de la corriente aplicada por la solución circundante. Lindsay y su equipo resolvieron este problema aplicando una capa aislante a toda la sonda, excepto la punta, minimizando así el contacto eléctrico con la solución.
Se necesita la solución para que el proceso funcione porque, sin ésta, la propiedad aislante inicial de la molécula impide que el primer electrón pueda saltar. Los iones en la solución "sacuden" la molécula lo suficiente como para provocarle una configuración inusual que permite a los electrones de los electrodos saltar a la molécula, un proceso señalado por primera vez por Rudy Marcus del Cal Tech (por el cual recibió el premio Nobel de química en 1992).
La molécula de oligoanilina que el equipo ha probado tiene tres estados eléctricos: un estado neutro donde es un aislante, un segundo estado donde se han eliminado electrones para oxidar la molécula y hacerla un conductor, y un tercer estado donde se eliminan más electrones y se convierte nuevamente en un aislante. Midiendo la corriente a través de la molécula conectada, en una solución de ácido sulfúrico, el equipo pudo hacer mediciones reproducibles que muestran los tres estados.
Dadas las propiedades eléctricas de la oligoanilina, Lindsay advierte que si la molécula se mantiene en su estado altamente conductivo (a bajo voltaje) y luego se incrementa el voltaje aplicado, las conexiones expulsarán electrones fuera de la molécula, forzándola a retomar su estado aislante. A esta disminución de la corriente al incrementar el voltaje se le llama "resistencia diferencial negativa" (NDR) y permite hacer un dispositivo útil con sólo dos electrodos en lugar de los tres usados originalmente.
Según Lindsay, la NDR es una base idónea para memorias, interruptores y elementos lógicos. La NDR ya se había observado antes en moléculas, pero nunca en condiciones controladas, ni a voltajes bajos, ni de un modo predecible. Lindsay enfatiza además que el valor principal del hallazgo no reside en haber encontrado una molécula utilizable como interruptor eléctrico operativo, sino en el descubrimiento de algunos parámetros críticos de diseño que podrían hacer posibles futuras investigaciones exitosas en el diseño de dispositivos moleculares.
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