Создан первый электрический выключатель на базе единственной молекулы, имеющий неограниченный ресурс

Группа ученых из университета Базеля (University of Basel), Швейцария, и Технологического института Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology, KIT), Германия, разработали структуру, изготовили и провели испытания одного из самых маленьких на свете электрических выключателей. Основой этого выключателя является единственная молекула вещества, синтезированная таким образом, чтобы придать этой молекуле необходимые электрические и механические свойства. Данное достижение является одним из больших шагов на пути продвижения теоретических идей к практическому воплощению элементов так называемой молекулярной электроники.

Форма синтезированной молекулы чем-то напоминает трехногий лунный посадочный модуль, на вершине которого находится активная часть переключателя. Его три "ноги" имеют специальные "якорные" химические группы, обеспечивающие прочное и надежное сцепление с поверхностью покрытого золотом основания. Роль активного элемента выполняет нитриловая группа, которая выступает достаточно далеко за пределы всей остальной молекулы.

Вторым электродом этого "выключателя" является наконечник туннельного сканирующего микроскопа, и при его же помощи осуществляется управление состоянием выключателя. Когда наконечник микроскопа входит в контакт с "торчащей" нитриловой группой, то через молекулу начинает течь электрический ток, а электрическая проводимость молекулы зависит от положения нитриловой группы. Чем сильней она прижимается наконечником микроскопа в сторону молекулы, тем ниже становится электрическое сопротивление и тем "качественней" включается этот молекулярный выключатель.

Нитриловая группа имеет так называемый дипольный момент, неравномерность распределения положительного и отрицательного электрического заряда. Это позволяет, помимо механического способа, управлять состоянием выключателя при помощи электрического поля. Изменяя полярность и силу потенциала на наконечнике микроскопа, можно заставить нитриловую группу или приблизиться к остальной молекуле или наоборот, отдалиться от нее, включая или выключая молекулярный выключатель.

Еще одним интересным моментом является то, что контакт между молекулой и наконечником микроскопа может быть установлен или разорван сколь угодно большое количество раз, не вызывая остаточных деформаций структуры молекулы. Такая высокая надежность является следствием череды теоретических расчетов, позволивших рассчитать форму отдельной молекулы, которая должна обладать набором определенных свойств. Данные исследования проводились под финансированием от немецкого Исследовательский фонда, соответствующая программа которого направлена на объединение методов функционального теоретического моделирования с практическими экспериментами в области малых сил и энергий, действующих на уровне отдельных молекул.