Una molecola unica potrebbe portare a computer più piccoli ed efficienti
Un nuovo tipo di molecola potrebbe offrire un materiale innovativo per i chip dei computer
Oggi la maggior parte di noi ha in mano un computer piuttosto potente, uno smartphone. Ma i computer non sono sempre stati così portatili. Dagli anni '80 sono diventati più piccoli, più leggeri e meglio attrezzati per memorizzare ed elaborare grandi quantità di dati. Tuttavia, i chip di silicio che alimentano i computer possono diventare così piccoli.
Da sinistra: Shen, Wang e Shiri con la loro molecola e un modello chimico della stessa.
Joshua Prezant/University of Miami
"Negli ultimi 50 anni, il numero di transistor che possiamo inserire in un chip è raddoppiato ogni due anni", ha dichiarato Kun Wang, professore assistente di fisica presso il College of Arts and Sciences dell'Università di Miami. "Ma stiamo rapidamente raggiungendo i limiti fisici dell'elettronica basata sul silicio ed è sempre più difficile miniaturizzare i componenti elettronici con le tecnologie che abbiamo utilizzato per mezzo secolo".
È un problema che Wang e molti altri nel suo campo dell'elettronica molecolare sperano di risolvere. In particolare, stanno cercando un modo per condurre l'elettricità senza usare il silicio o il metallo, che oggi sono utilizzati per creare i chip dei computer. L'uso di minuscoli materiali molecolari per i componenti funzionali, come transistor, sensori e interconnessioni nei chip elettronici, offre diversi vantaggi, soprattutto perché le tecnologie tradizionali basate sul silicio si avvicinano ai loro limiti fisici e di prestazioni.
Ma trovare la composizione chimica ideale per questa molecola ha lasciato perplessi gli scienziati. Recentemente Wang, insieme ai suoi studenti laureati Mehrdad Shiri e Shaocheng Shen e ai collaboratori Jason Azoulay, professore associato al Georgia Institute of Technology, e Ignacio Franco, professore all'Università di Rochester, ha scoperto una soluzione promettente.
Il team ha condiviso quella che ritiene essere la molecola organica più elettricamente conduttiva al mondo. La scoperta, pubblicata sul Journal of the American Chemical Society, apre nuove possibilità di costruire dispositivi informatici più piccoli e potenti su scala molecolare. Inoltre, la molecola è composta da elementi chimici presenti in natura, soprattutto carbonio, zolfo e azoto.
"Finora non esisteva alcun materiale molecolare che permettesse agli elettroni di attraversarlo senza una significativa perdita di conduttività", ha dichiarato Wang. "Questo lavoro è la prima dimostrazione che le molecole organiche possono permettere agli elettroni di migrare attraverso di esse senza alcuna perdita di energia per diverse decine di nanometri".
I test e la validazione della nuova molecola hanno richiesto più di due anni.
Tuttavia, il lavoro di questo team rivela che le loro molecole sono stabili nelle condizioni ambientali di tutti i giorni e offrono la massima conduttanza elettrica possibile a una lunghezza senza precedenti. Pertanto, potrebbe aprire la strada a dispositivi informatici classici più piccoli, più efficienti dal punto di vista energetico e più convenienti, ha aggiunto Wang.
Attualmente, la capacità di una molecola di condurre elettroni diminuisce esponenzialmente con l'aumentare delle dimensioni della molecola stessa. Questi "fili" molecolari di nuova concezione sono le autostrade necessarie per il trasferimento, l'elaborazione e la memorizzazione delle informazioni nell'informatica del futuro, ha detto Wang.
"La particolarità del nostro sistema molecolare è che gli elettroni viaggiano attraverso la molecola come un proiettile senza perdita di energia, quindi è teoricamente il modo più efficiente di trasporto degli elettroni in qualsiasi sistema materiale", ha osservato Wang. "Non solo può ridimensionare i futuri dispositivi elettronici, ma la sua struttura potrebbe anche consentire funzioni che non erano possibili con i materiali a base di silicio".
Wang intende dire che le capacità della molecola potrebbero creare nuove opportunità per rivoluzionare la scienza dell'informazione quantistica basata sulle molecole.
"L'elevatissima conduttanza elettrica osservata nelle nostre molecole è il risultato di un'intrigante interazione tra gli spin degli elettroni alle due estremità della molecola", ha aggiunto. "In futuro, si potrebbe utilizzare questo sistema molecolare come un qubit, che è un'unità fondamentale per l'informatica quantistica".
Il team ha potuto notare queste capacità studiando la nuova molecola al microscopio a scansione tunnel (STM). Utilizzando una tecnica chiamata STM break-junction, il team è riuscito a catturare una singola molecola e a misurarne la conduttanza.
Shiri, lo studente laureato, ha aggiunto: "In termini di applicazione, questa molecola rappresenta un grande balzo verso le applicazioni del mondo reale. Poiché è chimicamente robusta e stabile all'aria, potrebbe anche essere integrata con i componenti nanoelettronici esistenti in un chip e funzionare come filo elettronico o interconnessione tra chip".
Inoltre, i materiali necessari per comporre la molecola sono poco costosi e possono essere creati in laboratorio.
"Questo sistema molecolare funziona in un modo che non è possibile con gli attuali materiali convenzionali", ha detto Wang. Si tratta di nuove proprietà che non aumentano i costi, ma che potrebbero rendere i dispositivi informatici più potenti ed efficienti dal punto di vista energetico".
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Pubblicazione originale
Shaocheng Shen, Mehrdad Shiri, Paramasivam Mahalingam, Chaolong Tang, Tyler Bills, Alexander J. Bushnell, Tanya A. Balandin, Leopoldo Mejía, Haixin Zhang, Bingqian Xu, Ignacio Franco, Jason D. Azoulay, Kun Wang; "Long-Range Resonant Charge Transport through Open-Shell Donor–Acceptor Macromolecules"; Journal of the American Chemical Society, 2025-5-1
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