{"id":17772,"date":"2024-03-17T21:45:01","date_gmt":"2024-03-17T20:45:01","guid":{"rendered":"https:\/\/thesmartcityjournal.cibeles.net\/sin-categorizar\/conductancia-de-componentes-electricos\/"},"modified":"2024-03-17T21:08:29","modified_gmt":"2024-03-17T20:08:29","slug":"conductancia-de-componentes-electricos","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.thesmartcityjournal.com\/es\/empresas\/conductancia-de-componentes-electricos","title":{"rendered":"Conductancia de componentes el\u00e9ctricos"},"content":{"rendered":"

Investigadores de IMDEA Nanociencia miden la conductancia bal\u00edstica de electrones en largas cintas moleculares suspendidas en el aire y a temperatura ambiente<\/p>\n

La conductancia de los componentes el\u00e9ctricos cl\u00e1sicos suele decaer con el la longitud de los mismos. En general, este comportamiento se observa tambi\u00e9n en la nanoescala, en los hilos moleculares 1D. Ahora, los investigadores han demostrado que, una vez m\u00e1s, las cosas son diferentes en el nanomundo. Los investigadores de IMDEA Nanociencia y de la Universidad de Oxford han medido la conductancia en mol\u00e9culas de porfirina, obteniendo unas extraordinarias propiedades de conductancia \u2013una transmisi\u00f3n casi perfecta.<\/p>\n

La b\u00fasqueda de cables moleculares largos, que puedan transportar carga el\u00e9ctrica de manera eficiente impulsa el campo de la electr\u00f3nica molecular. El problema desde el principio, sin embargo, radica en que la conductancia de los cables moleculares suele decaer significativamente con el aumento de su longitud. La raz\u00f3n detr\u00e1s de esto es un fuerte desajuste entre la energ\u00eda de los orbitales moleculares transportadores y el nivel de Fermi del electrodo (el estado electr\u00f3nico m\u00e1s alto ocupado de un metal, donde tiene lugar el transporte de electrones). Este desajuste significa que los electrones deben hacer un t\u00fanel a trav\u00e9s de los estados moleculares, lo que resulta en una disminuci\u00f3n exponencial de la conductancia a medida que aumenta la longitud del cable molecular. A medida que los compuestos moleculares \u03c0-conjugados (es decir, compuestos que alternan enlaces tipo simple-doble o simple-triple) se hacen m\u00e1s largos, la brecha entre el orbital molecular m\u00e1s ocupado (HOMO) y el orbital molecular desocupado m\u00e1s bajo (LUMO) se estrecha, lo que deber\u00eda favorecer la conductancia. En realidad, cuanto mayor es la distancia que deben recorrer los electrones, la conductancia se vuelve r\u00e1pidamente m\u00e1s baja. El resultado es que las mol\u00e9culas de m\u00e1s de 3-4 nan\u00f3metros normalmente se vuelven demasiado resistivas para las mediciones. La ineficiencia con la que las uniones moleculares transportan la carga es un factor importante que dificulta el desarrollo de circuitos electr\u00f3nicos basados en mol\u00e9culas.<\/p>\n

En su \u00faltimo trabajo, investigadores dirigidos conjuntamente por el Dr. Edmund Leary (IMDEA Nanociencia) ten\u00edan como objetivo crear uniones moleculares largas y conductoras con baja resistencia de contacto a los electrodos. Para ello, seleccionaron olig\u00f3meros de porfirina -cadenas que comprenden un n\u00famero de unidades repetidas- como los mejores candidatos para sus mediciones, debido a su estabilidad y rigidez como nanohilos moleculares. Adem\u00e1s, las porfirinas son mol\u00e9culas biol\u00f3gicas, ubicuas en la naturaleza (sangre, hojas de plantas, enzimas, etc.) y estables a temperatura ambiente.<\/p>\n

Una caracter\u00edstica intrigante de las porfirinas es que sus propiedades dependen en gran medida no solo de la estructura y la longitud de la mol\u00e9cula, sino tambi\u00e9n de la forma en que se conectan los anillos individuales. Pueden convertirse en hilos muy resistivos o muy conductores dependiendo de los enlaces entre anillos vecinos, a pesar de que est\u00e1n compuestos esencialmente por el mismo tipo de \u00e1tomos. El Dr. Leary y su equipo estudiaron cadenas de anillos de porfirina triplemente fusionados a lo largo del eje, que fueron dise\u00f1ados y sintetizados por el equipo del profesor Harry Anderson (Universidad de Oxford). Estos enlaces permiten una deslocalizaci\u00f3n altamente eficiente de electrones, una caracter\u00edstica clave para aumentar la conductancia de una mol\u00e9cula.<\/p>\n

En sus experimentos, los investigadores del grupo de Leary \u00abpescaron\u00bb las mol\u00e9culas con la punta de un microscopio de efecto t\u00fanel (STM) en condiciones ambientales. En este m\u00e9todo, las mol\u00e9culas se depositan sobre una superficie de oro y se aplica un voltaje entre la punta del STM y la superficie. Usando esta t\u00e9cnica de \u00abpesca\u00bb, capturan mol\u00e9culas individuales y se forman y rompen en el orden de cientos, miles de uniones moleculares. Los investigadores midieron la conductancia a medida que los electrodos se separan, con un cable molecular en el medio, lo que les permiti\u00f3 estar seguros de que hab\u00edan atrapado una sola mol\u00e9cula. Tambi\u00e9n midieron la longitud de las uniones moleculares, lo que proporcion\u00f3 una buena comprobaci\u00f3n de que realmente estaban midiendo las propiedades de extremo a extremo de los cables moleculares.<\/p>\n

Para su sorpresa, la conductancia del compuesto m\u00e1s largo (> 7 nm) era casi id\u00e9ntica a la del compuesto m\u00e1s corto, el mon\u00f3mero, que mide poco m\u00e1s de 1 nm de longitud. Esto solo es posible en el r\u00e9gimen cu\u00e1ntico, y muestra que la reducci\u00f3n de la brecha (gap) HOMO-LUMO compensa el aumento de longitud incluso a distancias tan grandes. Sin embargo, las mediciones mostraron que el transporte de electrones sigue siendo un proceso de efecto t\u00fanel a baja polarizaci\u00f3n, y la conductancia segu\u00eda siendo 100-1000 veces menor de lo te\u00f3ricamente posible.<\/p>\n

Las cosas comenzaron a ponerse muy interesantes cuando los investigadores aplicaron un voltaje variable a las uniones. En algunas de las uniones, de forma extraordinaria, encontraron una conductancia m\u00e1xima en voltaje cero, que disminuy\u00f3 hacia voltajes m\u00e1s grandes. Esto es lo contrario al comportamiento t\u00edpico esperado. <\/strong>Igualmente sorprendente, la conductancia en estas uniones fue mucho m\u00e1s alta de lo que se hab\u00eda observado anteriormente y, en un n\u00famero significativo de uniones, alcanz\u00f3 el l\u00edmite te\u00f3rico de conductancia, la mayor conductancia posible a trav\u00e9s de un solo canal cu\u00e1ntico. Para poner esto en contexto, esta es la conductancia t\u00edpica de \u00e1tomos individuales como el oro o la plata.<\/p>\n

El transporte bal\u00edstico de electrones es conocido para nanotubos met\u00e1licos de carbono, y tambi\u00e9n se ha observado en mol\u00e9culas muy peque\u00f1as. El aspecto clave aqu\u00ed es que esta es la primera vez que se observa conductancia bal\u00edstica en mol\u00e9culas largas <\/strong>(> 7 nm) a baja polarizaci\u00f3n, <\/strong>con contactos conocidos con precisi\u00f3n at\u00f3mica, que conectan el cable a los electrodos. Las mediciones se realizaron en el aire y a temperatura ambiente. Este es un verdadero hito para este campo de investigaci\u00f3n.<\/p>\n

Entre los posibles mecanismos que podr\u00edan causar un m\u00e1ximo de conductancia con polarizaci\u00f3n cero, el efecto Kondo es un candidato obvio. Sin embargo, este se descart\u00f3 de inmediato, ya que se trata de un proceso que ocurre puramente a baja temperatura, a pocos grados Kelvin. A temperatura ambiente, la \u00fanica explicaci\u00f3n para sus resultados fue la perfecta alineaci\u00f3n del nivel de energ\u00eda y la conductancia bal\u00edstica.<\/p>\n

El truco para hacer que las mol\u00e9culas se comporten de esta impresionante manera consiste en cambiar el n\u00famero de electrones presentes en la mol\u00e9cula, convirti\u00e9ndolas de mol\u00e9culas neutras a mol\u00e9culas cargadas (dopadas). Esto sucede cuando se aplica un voltaje de polarizaci\u00f3n de barrido a las uniones moleculares. Si se alcanza un valor lo suficientemente alto, los niveles moleculares se sit\u00faan en resonancia con los electrodos met\u00e1licos. Esto significa que los niveles moleculares (ya sea HOMO o LUMO) tienen la misma energ\u00eda que los electrones al nivel de Fermi en uno de los electrodos. En este r\u00e9gimen de resonancia, los electrones viajan libremente a trav\u00e9s del cable molecular<\/strong>, pero ocasionalmente uno puede localizarse en la mol\u00e9cula. Cuando esto sucede, aparece un efecto notable. En lugar de que la carga se disipe de nuevo en los electrodos, cuando el voltaje de polarizaci\u00f3n se reduce a cero, con frecuencia permanece en la mol\u00e9cula durante largos per\u00edodos, al menos durante la vida \u00fatil de la uni\u00f3n molecular. Fundamentalmente, esto cambia la alineaci\u00f3n de los niveles moleculares debido al desequilibrio de carga en la mol\u00e9cula. Este es el aspecto clave de todo el proceso<\/strong>. Lo que los investigadores creen es que los niveles HOMO o el LUMO cambian de tal manera que cuando el voltaje vuelve a cero, en lugar de tener el desajuste de energ\u00eda original, un nivel de energ\u00eda molecular ahora se alinea perfectamente con el nivel met\u00e1lico de Fermi. Esto explica la conductancia bal\u00edstica de baja polarizaci\u00f3n.<\/p>\n

El momento m\u00e1s emocionante para Edmund fue ver el pico de conductancia a voltaje cero. \u00abEsper\u00e1bamos ver altas conductancias a altos voltajes, pero no valores en o alrededor de G0 con polarizaci\u00f3n cero\u00bb, explica Edmund. \u00abDe hecho, nos decepcionaron un poco los resultados iniciales de baja polarizaci\u00f3n, que mostraron que, a pesar de las brechas ultraestrechas de HOMO-LUMO, el transporte de electrones todav\u00eda se suprime para las mol\u00e9culas neutras. Sin embargo, sab\u00edamos que est\u00e1bamos en lo cierto cuando comenzamos a barrer el voltaje de polarizaci\u00f3n y comenzamos a observar uniones moleculares cargadas con conductancias ultra altas. Cuando miramos en detalle los datos y encontramos que la conductancia alcanzaba su punto m\u00e1ximo en polarizaci\u00f3n cero, nos dimos cuenta de que esta era una muy buena evidencia del transporte bal\u00edstico de electrones\u00bb. Los resultados, publicados ahora en la revista \u00abJournal of the American Chemical Society\u00bb<\/a>, muestran c\u00f3mo las mol\u00e9culas pueden comportarse como cadenas met\u00e1licas y conducir la electricidad en el l\u00edmite te\u00f3rico,<\/strong> abriendo la emocionante posibilidad de ir m\u00e1s all\u00e1 de los 10 nm en experimentos de conductancia de una sola mol\u00e9cula.<\/p>\n

Referencia<\/strong><\/p>\n

Jie-Ren Deng, M. Teresa Gonz\u00e1lez, He Zhu, Harry L. Anderson, and Edmund Leary. Ballistic conductance through porphyrin nanoribbons. Journal of the American Chemical Society<\/em> 2024 146<\/strong> (6), 3651-3659.<\/p>\n

Imagen: Estructura qu\u00edmica de la nanocinta de porfirina m\u00e1s larga medida con ocho unidades de repetici\u00f3n.<\/em><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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