211service.com
Een nieuw type moleculaire schakelaar
IBM-wetenschappers hebben een nieuwe moleculaire schakelaar gemaakt die kan worden in- en uitgeschakeld zonder zijn vorm te veranderen. Hoewel een dergelijke schakelaar nog jaren in gebruik is in werkende apparaten, suggereren de wetenschappers dat het een potentiële manier laat zien om dergelijke moleculaire schakelaars aan elkaar te koppelen om moleculaire logische poorten voor toekomstige computers te vormen.
Moleculaire schakelaar: De punt van een scanning tunneling microscoop (weergegeven in zilver) tast een kruisvormige moleculaire schakelaar af om een naburig molecuul in en uit te schakelen. Door spanningen te induceren, zorgt de sonde ervoor dat twee waterstofatomen in het naftalocyaninemolecuul van de ene oriëntatie naar de andere gaan.
Onderzoekers hebben het afgelopen decennium gewerkt aan het gebruik van individuele moleculen als elektronische schakelaars in de hoop dat ze uiteindelijk zullen helpen elektronische apparaten nog kleiner en krachtiger te maken. (Zie Molecular Computing.) Maar tot nu toe hebben dergelijke inspanningen moleculaire processen met zich meegebracht die op de een of andere manier de geometrische vorm van het molecuul vervormen, zegt Peter Liljeroth , een onderzoeker bij IBM Zürich onderzoekslaboratorium , in Zwitserland.
Het probleem is dat het veranderen van de vorm van het molecuul het moeilijk maakt om ze als schakelaars aan elkaar te koppelen. Als een onderzoeker iets ingewikkelders wil maken dan alleen een moleculaire schakelaar, zoals een logische poort, dan moet hij of zij die aan elkaar kunnen koppelen, zegt Liljeroth. Het hebben van een enkele moleculaire schakelaar zal nergens echt nuttig voor zijn.
Liljeroth en zijn collega's maken gebruik van atomaire veranderingen die plaatsvinden in het midden van een moleculaire kooi, die de algehele structuur van het molecuul niet veranderen. In het laatste nummer van het tijdschrift Wetenschap , laat de groep zien hoe zijn molecuul elektrisch kan worden in- en uitgeschakeld. De onderzoekers laten ook zien hoe je drie van deze moleculen naast elkaar kunt laten samenwerken. Het injecteren van een stroom in het ene molecuul zal de toestand van een ander molecuul veranderen, zegt Liljeroth.
Multimedia
Bekijk IBM's moleculaire schakelaar in actie.
Het rapport vormt een uitstekend en opmerkelijk stuk fundamentele wetenschap, zegt Fraser Stoddart , directeur van het California Nanosystems Institute aan de University of California, Los Angeles, die ook werkt aan moleculaire schakeling.
Het IBM-molecuul is een naftalocyanine, een klasse van verbindingen die wordt gebruikt in verven en organische optische elektronica vanwege hun intense blauwpaarse kleur. De structuur van IBM's molecuul vormt een kruisvorm die twee tegenover elkaar liggende waterstofatomen bevat aan weerszijden van een centrale vierkante leegte.
Toen de onderzoekers het molecuul op een ultradun substraat plaatsten, bleken deze tegengestelde waterstofatomen van de zijkanten van dit kwadrant naar boven en naar beneden te draaien, of omgekeerd, wanneer er voldoende spanning werd aangelegd. Maar ongeacht in welke van deze twee toestanden het zich bevindt, de geometrie van het molecuul blijft constant.
Wanneer een lagere spanning wordt toegepast, is het mogelijk om de status van de schakelaar af te lezen door de stroom die er doorheen gaat te meten. Een lage spanning schakelt het niet, dus we kunnen de toestand van het molecuul aflezen, zegt Liljeroth.
Het is mooie wetenschap, zegt Mark Reed , een natuurkundige aan de Yale University, in New Haven, CT, die moleculaire apparaten bestudeert. Het feit dat ze deze omkeerbare verandering van de structuur hebben, is erg leuk.
De ontdekking van IBM is per ongeluk gedaan. Wat we eigenlijk aan het onderzoeken waren, was de moleculaire vibratie die wordt veroorzaakt door het toevoegen van elektronen aan het molecuul, zegt Liljeroth. Maar daarbij merkten de onderzoekers dit omslaan van waterstofatomen op, een moleculaire reactie die bekend staat als tautomerisatie.
Om het molecuul te verwisselen, gebruikte de groep een scanning tunneling microscope (STM) die werkte bij extreem lage temperaturen en in een vacuüm. De reactie wordt echter elektrisch aangedreven, zij het op picoamps, dus de STM is niet nodig om deze reactie te laten plaatsvinden, zegt Liljeroth. Maar de lage temperatuur kan een groot obstakel zijn om het proces praktisch te maken.
Voor dit specifieke molecuul moest de temperatuur op slechts vijf graden Kelvin worden gehouden om de reactie op een gecontroleerde manier te laten plaatsvinden. De reactie vindt nog steeds plaats bij kamertemperatuur, zegt Liljeroth. Maar bij kamertemperatuur zou het spontaan gebeuren. Desalniettemin, zegt hij, is er het potentieel om nieuwe moleculen te vinden die dit gedrag vertonen bij hogere temperaturen in de hoop uiteindelijk logische apparaten te bouwen.
Aantonen dat één moleculaire schakelaar kan worden in- en uitgeschakeld door een stroom op een naburig molecuul te zetten, is een eerste stap in de richting van een dergelijke logica. Het vermogen om een spanning op één molecuul aan te brengen en tautomerisatie van een naburige molecuul te veroorzaken, heeft interessante implicaties voor logische apparaten, zegt Stoddart. Maar, zegt hij, de temperatuurbeperking blijft een enorme uitdaging.
Stoddart verwerpt ook het afwijzen door de IBM-groep van moleculaire schakelaars die van vorm veranderen; hij stelt dat dergelijke moleculen zich in een veel verder gevorderd stadium bevinden en bij kamertemperatuur kunnen werken. Ik vind het verontrustend dat wetenschappers op het gebied van moleculaire elektronica onderzoek van anderen dat veel technologisch geavanceerder is dan hun eigen onderzoek nog steeds onterecht afwijzen, en toch een zeer degelijke theoretische en experimentele basis heeft.
Yale's Reed is ook sceptisch over de praktische implicaties van de IBM-bevinding. Elk gepraat om van deze reactie een apparaat te maken, komt in dit stadium neer op een overdreven hyperbool, zegt hij. Het is hetzelfde als zeggen dat we siliciumhalfgeleiders hebben ontdekt, daarom kunnen we een Pentium maken.