Gli interruttori atomici avvicinano l'elettronica molecolare alla realtà
I ricercatori hanno sviluppato interruttori a base di argento che formano connessioni affidabili tra molecole ed elettrodi
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Ricercatori giapponesi hanno sviluppato interruttori atomici a base di argento che creano connessioni elettriche stabili tra singole molecole ed elettrodi, affrontando una sfida chiave nel cablaggio dell'elettronica molecolare. L'interruttore funziona formando e rompendo filamenti atomici d'argento quando viene applicata e invertita una tensione, corrispondente agli stati "on" e "off". Questo metodo consente l'integrazione scalabile di componenti molecolari, aprendo la strada a circuiti ultracompatti ed efficienti dal punto di vista energetico costruiti da singole molecole.
L'interruttore atomico funziona formando e rompendo un piccolo filamento d'argento all'interno di una sottile pellicola di ossido di tantalio. Quando viene applicata una tensione positiva, gli atomi d'argento si muovono per creare un ponte conduttivo tra due elettrodi, accendendo l'interruttore. Invertendo la tensione, il filamento si rompe e l'interruttore si "spegne".
Institute of Science Tokyo
I futuri circuiti elettronici potrebbero non essere costruiti a partire dal silicio, ma da singole molecole. Gli scienziati hanno già dimostrato che l'elettronica molecolare funziona come raddrizzatore, interruttore e unità di memoria. Si prevede che tali dispositivi saranno più piccoli e più efficienti dal punto di vista energetico rispetto all'elettronica odierna. Tuttavia, una sfida fondamentale consiste nel formare un contatto elettrico stabile tra le molecole e gli elettrodi metallici, essenziale per assemblare i singoli componenti in un circuito funzionale.
Una soluzione a questo problema è l'uso di un interruttore atomico (AS), un'alternativa intelligente al tradizionale interruttore meccanico. Invece di parti mobili, l'AS si basa su reazioni chimiche che spostano ioni metallici o innescano cambiamenti redox per creare e interrompere percorsi conduttivi. Ciò lo rende più semplice, più affidabile e più facile da integrare nei circuiti molecolari di prossima generazione.
Per realizzare l'uso dell'AS nei circuiti molecolari, i ricercatori dell'Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), in Giappone, hanno ora dimostrato un AS a base di argento che può essere usato per collegare singole molecole in un ambiente allo stato solido. Lo studio, pubblicato online sulla rivista Small il 25 ottobre 2025, segna un passo avanti verso la creazione di giunzioni molecolari in grado di collegare diversi componenti elettronici molecolari.
Il team di ricerca è stato guidato dai professori associati Satoshi Kaneko e Tomoaki Nishino, insieme agli studenti laureati Dr. Akira Aiba e Sekito Nishimuro di Science Tokyo, in collaborazione con il Dr. Tohru Tsuruoka e il Dr. Kazuya Terabe dell'Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali e il Dr. Marius Buerkle dell'Istituto Nazionale di Scienza e Tecnologia Industriale Avanzata.
"L'utilizzo di AS consente un cablaggio molecolare stabile in un ambiente allo stato solido, permettendo di applicare la tensione direttamente alle molecole funzionali. Questo approccio elimina la necessità di manipolare meccanicamente gli elettrodi, semplificando la progettazione dei dispositivi e consentendo la parallelizzazione e l'integrazione, passi fondamentali verso un'elettronica molecolare scalabile", spiega Kaneko.
L'AS si forma su una sottile pellicola di ossido di tantalio (Ta 2 O 5 ). Vengono introdotte molecole di gas acetilene e viene applicata una piccola tensione per formare filamenti atomici di argento che si collegano a queste molecole. Quando si applica una tensione positiva, gli atomi d'argento si muovono e formano un filamento che collega gli elettrodi, accendendo l'interruttore. Invertendo la tensione, il filamento si rompe e l'interruttore si "spegne".
Alla rottura del filamento, una molecola di acetilene rimane intrappolata tra gli atomi di argento rimanenti, formando una giunzione molecolare. In questo stato, la molecola di acetilene stessa fa da ponte tra gli elettrodi e permette il passaggio della corrente. Un'ulteriore variazione di tensione rompe la giunzione molecolare, completando il ciclo di commutazione. L'argento AS a base di Ta 2 O 5 ha funzionato in modo stabile a basse tensioni (circa 0,3 V) sia in condizioni di vuoto spinto che in ambiente acetilenico.
Il team ha confermato che l'interruttore ha funzionato come progettato, utilizzando una tecnica chiamata spettroscopia di tunneling degli elettroni anelastici. Questo metodo rileva le minuscole vibrazioni delle molecole quando l'elettricità le attraversa. Le molecole di acetilene hanno prodotto chiari segnali vibrazionali, dimostrando di essere direttamente collegate al filamento d'argento e di contribuire al trasporto di corrente. Inoltre, la conduttanza del dispositivo ha mostrato valori compresi tra 10 -3 e 10 -1 G 0, tipici delle giunzioni a singola molecola, confermando che la connessione elettrica esisteva a livello molecolare.
Questa nuova tecnica elimina la necessità di regolare fisicamente gli elettrodi per formare le giunzioni molecolari, un processo che per lungo tempo ha limitato l'elettronica molecolare agli esperimenti di laboratorio. Utilizzando interruttori atomici, è possibile creare più giunzioni molecolari automaticamente e simultaneamente, aprendo la strada a un metodo di fabbricazione affidabile e scalabile.
"Si prevede che questi risultati contribuiranno in modo significativo allo sviluppo di dispositivi molecolari ad alta efficienza energetica, come interruttori e sensori, che sfruttano le proprietà quantistiche delle molecole", afferma Kaneko.
Questa scoperta ci avvicina a dispositivi ultracompatti ed efficienti dal punto di vista energetico, in cui interi circuiti elettronici sono costruiti da singole molecole".
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