Neseniai prestižiniame žurnale „Nature Nanotechnology“ pasirodžiusiame straipsnyje Arizonos universiteto Biodizaino instituto (JAV) profesorius Nondžianas Tao (Nongjian Tao) aprašė, kaip galima sumaniai valdyti vienos molekulės elektrinį laidumą į pagalbą pasitelkiant mechanines jos savybes.
Tokį precizišką valdymą pravartu išnaudoti gaminant ultramažyčius elektrinius prietaisus, galinčius atlikti daugybę naudingų funkcijų, pradedant biologiniais bei cheminiais jutikliais ir baigiant tobulesnėmis telekomunikacijų technologijomis bei kompiuterių atmintimis.
N. Tao vadovauja tyrėjų komandai, nuolat susiduriančiai su tokio dydžio elektrinių įtaisų gamybos iššūkiais, mat esant tokiems masteliams kvantinio pasaulio reiškiniai labai dažnai nulemia, kokiomis ypatybėmis pasižymės įtaisas. Pasak profesoriaus, vienas iš įdomesnių uždavinių yra nustatyti ir valdyti vienos molekulės, prijungtos prie auksinių elektrodų poros, elektrinį laidumą.
Kuomet elektriniai prietaisai yra sumažinami iki molekulių dydžio, tiek elektrinės, tiek mechaninės molekulės savybės tampa itin svarbios. Priklausomai nuo poreikių, galima išnaudoti šias specifines savybes. Paveikslėlyje viena molekulė yra prijungta prie dviejų auksinių elektrodų – taip sudaroma elektrinė grandinė, kurioje galima išmatuoti tekančios srovės stiprį.
„Kai kurios molekulės pasižymi neįprastomis elektromechaninėmis savybėmis, kurios nebūdingos silicio pagrindo medžiagoms, – pasakoja mokslininkas. – Be to, molekulė gali atpažinti kitą molekulę dėl specifinių sąveikų“. Šios unikalios savybės nanoprietaisų kūrėjams reiškia milžinišką funkcinį lankstumą.
Savo darbe N. Tao nagrinėja vienos molekulės, įterptos tarp dviejų laidžių elektrodų, elektromechanines savybes. Kuomet tiekiama įtampa, galima išmatuoti elektrinėje grandinėje susidarančios srovės stiprį. Tyrimuose naudota tam tikros rūšies molekulė, vadinama pentafenilinu.
N. Tao vadovaujamai tyrėjų grupei pavyko reguliuoti molekulės elektrinį laidumą paprasčiausiai keičiant šios orientaciją elektrodų atžvilgiu. Kitaip tariant, keičiant molekulės posvyrio kampą, dėl mažėjančio atstumo tarp elektrodų laidumas ėmė didėti, kol pasiekė maksimalią vertę molekulei elektrodų atžvilgiu užėmus 90 laipsnių padėtį.
Toks didelis elektrinio laidumo pokytis yra susijęs su vadinamosiomis pi orbitalėmis ir jų sąveika su prijungtų elektrodų elektronų orbitalėmis. Kaip pažymi profesorius, pi orbitales galima įsivaizduoti kaip elektronų debesėlius, statmenai išsikišusius iš abiejų molekulės plokštumos pusių. Kuomet molekulės, įspraustos tarp dviejų elektrodų, posvyrio kampas pakinta, šios pi orbitalės gali imti sąveikauti su auksinių elektrodų elektronų orbitalėmis – toks procesas vadinamas šoninio ryšio susidarymu. Būtent jis lemia padidėjusį molekulės elektrinį laidumą.
Pentafenilino molekulės atveju, dėl šoninio ryšio susidarymo elektrinis laidumas išaugo netgi 10 kartų. Tuo tarpu tetrafenilo molekulei šoninio ryšio susidarymas nėra būdingas, todėl laidumo vertės išliko pastovios ir nepriklausomos nuo molekulės posvyrio kampo. Kaip teigia N. Tao, dabar molekules galima derinti taip, kad priklausomai nuo specifinių poreikių, šios arba išnaudotų šoninį ryšį, arba minimizuotų jo poveikį. Tai leidžia itin tiksliai valdyti norimas elektrinio laidumo savybes.
Tolimesni bandomieji elektrinio laidumo eksperimentai buvo atlikti taikant moduliacijos metodą – molekulės laidumas buvo stebimas ją sukinėjant visomis trimis kryptimis erdvėje. Rezultatai parodė, jog iš tiesų elektrinis laidumas išaugdavo tiktai tuomet, kai molekulė būdavo orientuota tarp elektrodų taip, kad galėdavo susidaryti šoninis ryšys. N. Tao mano, jog šis moduliacijos metodas gali būti plačiai taikomas norint įvertinti elektrinio laidumo pokyčius molekulinėse sistemose.
