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Un nuevo tipo de interruptor molecular
Los científicos de IBM han creado un nuevo interruptor molecular que puede encenderse y apagarse sin alterar su forma. Si bien dicho interruptor aún está a años de ser utilizado en dispositivos de trabajo, los científicos sugieren que muestra una forma potencial de vincular dichos interruptores moleculares para formar puertas lógicas moleculares para computadoras futuras.
Interruptor molecular: La punta de un microscopio de efecto túnel (que se muestra en plata) sondea un interruptor molecular en forma de cruz para encender y apagar una molécula vecina. Al inducir voltajes, la sonda hace que dos átomos de hidrógeno dentro de la molécula de naftalocianina cambien de una orientación a otra.
Los investigadores durante la última década han estado trabajando para usar moléculas individuales como interruptores electrónicos con la esperanza de que eventualmente ayuden a hacer que los dispositivos electrónicos sean aún más pequeños y más poderosos. (Ver Computación Molecular). Pero hasta ahora, tales esfuerzos han involucrado procesos moleculares que de alguna manera deforman la forma geométrica de la molécula, dice Peter Liljeroth , investigador en Laboratorio de investigación de IBM Zurich , En Suiza.
El problema es que cambiar la forma de la molécula dificulta unirlas como interruptores. Si un investigador quiere hacer algo más complicado que un simple interruptor molecular, como una puerta lógica, entonces debe poder acoplarlos, dice Liljeroth. Tener un solo interruptor molecular no va a ser útil para nada.
Liljeroth y sus colegas explotan los cambios atómicos que tienen lugar en el centro de una jaula molecular, que no altera la estructura general de la molécula. En el último número de la revista Ciencias , el grupo muestra cómo su molécula se puede encender y apagar eléctricamente. Los investigadores también demuestran cómo se puede hacer que tres de estas moléculas trabajen juntas cuando se colocan una al lado de la otra. Inyectar una corriente en una molécula cambiará el estado de otra, dice Liljeroth.
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Vea el interruptor molecular de IBM en acción.
El informe constituye una pieza sobresaliente y notable de ciencia fundamental, dice Fraser Stoddart , director del Instituto de Nanosistemas de California de la Universidad de California en Los Ángeles, que también trabaja en la conmutación molecular.
La molécula de IBM es una naftalocianina, una clase de compuestos utilizados en pinturas y electrónica óptica orgánica debido a su intenso color púrpura azulado. La estructura de la molécula de IBM forma una forma de cruz que contiene dos átomos de hidrógeno opuestos a cada lado de un vacío cuadrado central.
Cuando los investigadores colocaron la molécula en un sustrato ultrafino, se descubrió que estos átomos de hidrógeno opuestos se volteaban desde los lados de este cuadrante hacia la parte superior e inferior, o viceversa, cuando se aplicaba un voltaje suficiente. Sin embargo, independientemente de cuál de estos dos estados se encuentre, la geometría de la molécula permanece constante.
Cuando se aplica un voltaje más bajo, es posible leer el estado del interruptor midiendo la corriente que fluye a través de él. Un voltaje bajo no lo cambia, por lo que podemos leer el estado de la molécula, dice Liljeroth.
Es una ciencia hermosa, dice Mark Reed , físico de la Universidad de Yale, en New Haven, CT, que estudia dispositivos moleculares. El hecho de que tengan este cambio reversible de estructura es muy bonito.
El descubrimiento de IBM se realizó por accidente. Lo que en realidad estábamos investigando era la vibración molecular causada por la adición de electrones a la molécula, dice Liljeroth. Pero al hacerlo, los investigadores notaron este vuelco de los átomos de hidrógeno, una reacción molecular conocida como tautomerización.
Para cambiar la molécula, el grupo utilizó un microscopio de efecto túnel (STM) que operaba a temperaturas extremadamente bajas y al vacío. Sin embargo, la reacción es impulsada eléctricamente, aunque a picoamperios, por lo que el STM no es necesario para que se produzca esta reacción, dice Liljeroth. Pero la baja temperatura podría ser un gran obstáculo para que el proceso sea práctico.
Para esta molécula en particular, la temperatura tenía que mantenerse a solo cinco grados kelvin para que la reacción ocurriera de manera controlada. La reacción todavía ocurre a temperatura ambiente, dice Liljeroth. Pero a temperatura ambiente, sucedería espontáneamente. Sin embargo, dice, existe el potencial para encontrar nuevas moléculas que exhiban este comportamiento a temperaturas más altas con la esperanza de eventualmente construir dispositivos lógicos.
Demostrar que un interruptor molecular se puede encender y apagar aplicando una corriente a una molécula vecina es un primer paso hacia esa lógica. La capacidad de aplicar un voltaje a una molécula y causar tautomerización de una vecina tiene implicaciones interesantes para los dispositivos lógicos, dice Stoddart. Pero, dice, la restricción de temperatura sigue siendo un gran desafío.
Stoddart también rechaza el rechazo del grupo IBM de los interruptores moleculares que cambian de forma; él sostiene que tales moléculas se encuentran en una etapa mucho más avanzada y pueden operar a temperatura ambiente. Me parece irritante que los científicos en el campo de la electrónica molecular continúen despreciando injustamente la investigación de otros que es mucho más avanzada tecnológicamente que la suya y, sin embargo, también tiene una base teórica y experimental muy sólida.
Reed de Yale también se muestra escéptico sobre las implicaciones prácticas del hallazgo de IBM. Cualquier conversación sobre convertir esta reacción en un dispositivo equivale a una hipérbole excesiva en esta etapa, dice. Es como decir que hemos descubierto semiconductores de silicio, por lo tanto, podemos hacer un Pentium.