Molécula única pode levar a computadores mais pequenos e mais eficientes
Um novo tipo de molécula poderá constituir um material inovador para chips de computador
Atualmente, a maioria de nós tem um computador bastante potente na mão - um smartphone. Mas os computadores nem sempre foram tão portáteis. Desde os anos 80, tornaram-se mais pequenos, mais leves e mais bem equipados para armazenar e processar grandes quantidades de dados. No entanto, os chips de silício que alimentam os computadores não podem ficar tão pequenos.
Da esquerda para a direita: Shen, Wang e Shiri com a sua molécula e um modelo químico da mesma.
Joshua Prezant/University of Miami
"Nos últimos 50 anos, o número de transístores que podemos colocar num chip duplicou de dois em dois anos", disse Kun Wang, professor assistente de física na Faculdade de Artes e Ciências da Universidade de Miami. "Mas estamos a atingir rapidamente os limites físicos da eletrónica baseada no silício e é mais difícil miniaturizar os componentes electrónicos utilizando as tecnologias que temos vindo a utilizar há meio século."
É um problema que Wang e muitos outros na sua área da eletrónica molecular esperam resolver. Especificamente, procuram uma forma de conduzir eletricidade sem utilizar silício ou metal, que são utilizados atualmente para criar chips de computador. A utilização de materiais moleculares minúsculos para componentes funcionais, como transístores, sensores e interligações em chips electrónicos, oferece várias vantagens, especialmente à medida que as tecnologias tradicionais baseadas em silício se aproximam dos seus limites físicos e de desempenho.
Mas encontrar a composição química ideal para esta molécula tem deixado os cientistas perplexos. Recentemente, Wang, juntamente com os seus alunos de pós-graduação, Mehrdad Shiri e Shaocheng Shen, e os colaboradores Jason Azoulay, professor associado do Instituto de Tecnologia da Geórgia, e Ignacio Franco, professor da Universidade de Rochester, descobriram uma solução promissora.
A equipa partilhou o que acreditam ser a molécula orgânica mais condutora de eletricidade do mundo. A sua descoberta, publicada no Journal of the American Chemical Society, abre novas possibilidades para a construção de dispositivos de computação mais pequenos e mais potentes à escala molecular. Melhor ainda, a molécula é composta por elementos químicos encontrados na natureza - principalmente carbono, enxofre e azoto.
"Até agora, não existe nenhum material molecular que permita que os electrões o atravessem sem perda significativa de condutividade", disse Wang. "Este trabalho é a primeira demonstração de que as moléculas orgânicas podem permitir que os electrões migrem através delas sem qualquer perda de energia ao longo de várias dezenas de nanómetros."
Os testes e a validação da sua nova molécula única demoraram mais de dois anos.
No entanto, o trabalho desta equipa revela que as suas moléculas são estáveis em condições ambientais quotidianas e oferecem a maior condutividade eléctrica possível em comprimentos sem paralelo. Por conseguinte, poderá abrir caminho para que os dispositivos de computação clássicos se tornem mais pequenos, mais eficientes em termos energéticos e mais económicos, acrescentou Wang.
Atualmente, a capacidade de uma molécula para conduzir electrões diminui exponencialmente à medida que o tamanho da molécula aumenta. Estes "fios" moleculares recém-desenvolvidos são as estradas necessárias para que a informação seja transferida, processada e armazenada na computação do futuro, disse Wang.
"O que é único no nosso sistema molecular é que os electrões viajam através da molécula como uma bala sem perda de energia, pelo que, teoricamente, é a forma mais eficiente de transporte de electrões em qualquer sistema material", observou Wang. "Não só pode reduzir o tamanho dos futuros dispositivos electrónicos, como a sua estrutura pode também permitir funções que nem sequer eram possíveis com materiais à base de silício".
Wang quer dizer que as capacidades da molécula podem criar novas oportunidades para revolucionar a ciência da informação quântica baseada em moléculas.
"A condutância eléctrica ultra-alta observada nas nossas moléculas é o resultado de uma interação intrigante dos spins dos electrões nas duas extremidades da molécula", acrescentou. "No futuro, este sistema molecular poderá ser utilizado como um qubit, que é uma unidade fundamental para a computação quântica".
A equipa pôde constatar estas capacidades estudando a sua nova molécula num microscópio de tunelamento de varrimento (STM). Utilizando uma técnica chamada STM break-junction, a equipa conseguiu capturar uma única molécula e medir a sua condutância.
Shiri, a estudante licenciada, acrescentou: "Em termos de aplicação, esta molécula representa um grande salto em direção às aplicações do mundo real. Uma vez que é quimicamente robusta e estável no ar, pode mesmo ser integrada com componentes nanoelectrónicos existentes num chip e funcionar como um fio eletrónico ou interligações entre chips".
Para além disso, os materiais necessários para compor a molécula são baratos e esta pode ser criada em laboratório.
"Este sistema molecular funciona de uma forma que não é possível com os materiais actuais e convencionais", disse Wang. "Trata-se de novas propriedades que não aumentam o custo, mas que podem tornar os dispositivos informáticos mais potentes e eficientes do ponto de vista energético.
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Publicação original
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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