Interruptores atómicos aproximam a eletrónica molecular da realidade
Investigadores desenvolvem interruptores à base de prata que formam ligações fiáveis entre moléculas e eléctrodos
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Investigadores japoneses desenvolveram interruptores atómicos à base de prata que criam ligações eléctricas estáveis entre moléculas individuais e eléctrodos, dando assim resposta a um desafio fundamental na ligação da eletrónica molecular. O interrutor funciona formando e quebrando filamentos atómicos de prata quando é aplicada e invertida uma tensão, o que corresponde aos estados "ligado" e "desligado". Este método permite a integração escalável de componentes moleculares, abrindo caminho a circuitos ultra-compactos e energeticamente eficientes construídos a partir de moléculas individuais.
O interrutor atómico funciona através da formação e quebra de um pequeno filamento de prata no interior de uma fina película de óxido de tântalo. Quando é aplicada uma tensão positiva, os átomos de prata movem-se para criar uma ponte condutora entre dois eléctrodos, ligando o interrutor. Inverter a voltagem faz com que o filamento se parta, desligando o interrutor.
Institute of Science Tokyo
Os futuros circuitos electrónicos poderão não ser construídos a partir de silício, mas sim de moléculas individuais. Os cientistas já demonstraram a eletrónica molecular a funcionar como rectificadores, interruptores e unidades de memória. Espera-se que estes dispositivos sejam mais pequenos e mais eficientes em termos energéticos do que a eletrónica atual. No entanto, um dos principais desafios reside na formação de um contacto elétrico estável entre as moléculas e os eléctrodos metálicos, o que é essencial para a montagem dos componentes individuais num circuito funcional.
Uma solução para este problema é a utilização de um interrutor atómico (AS), uma alternativa inteligente ao interrutor mecânico tradicional. Em vez de peças móveis, o AS baseia-se em reacções químicas que movem iões metálicos ou desencadeiam alterações redox para criar e interromper caminhos condutores. Isto torna-o mais simples, mais fiável e mais fácil de integrar nos circuitos moleculares da próxima geração.
Para concretizar a utilização de AS em circuitos moleculares, investigadores do Instituto de Ciência de Tóquio (Science Tokyo), Japão, demonstraram agora um AS à base de prata que pode ser utilizado para ligar moléculas individuais num ambiente de estado sólido. O estudo, publicado online na revista Small em 25 de outubro de 2025, marca um passo no sentido da criação de junções moleculares capazes de ligar diferentes componentes electrónicos moleculares.
A equipa de investigação foi liderada pelos Professores Associados Satoshi Kaneko e Tomoaki Nishino, juntamente com os estudantes graduados Dr. Akira Aiba e Sr. Sekito Nishimuro da Science Tokyo, em colaboração com o Dr. Tohru Tsuruoka e o Dr. Kazuya Terabe do Instituto Nacional de Ciência dos Materiais e o Dr. Marius Buerkle do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada.
"A utilização de AS permite uma ligação molecular estável num ambiente de estado sólido, permitindo que a tensão seja aplicada diretamente a moléculas funcionais. Esta abordagem elimina a necessidade de manipulação mecânica dos eléctrodos, simplificando a conceção do dispositivo e permitindo a paralelização e a integração, que são passos fundamentais para uma eletrónica molecular escalável", afirma Kaneko.
O AS forma-se sobre uma película fina de óxido de tântalo (Ta 2 O 5 ). São introduzidas moléculas de gás acetileno e é aplicada uma pequena tensão para formar filamentos atómicos de prata que se ligam a estas moléculas. Quando é aplicada uma tensão positiva, os átomos de prata movem-se e formam um filamento que faz a ponte entre os eléctrodos, ligando o interrutor. A inversão da tensão rompe o filamento, desligando o interrutor.
Com a rutura do filamento, uma molécula de acetileno fica presa entre os átomos de prata restantes, formando uma junção molecular. Neste estado, a própria molécula de acetileno faz a ponte entre os eléctrodos e permite a passagem da corrente. Uma nova alteração da tensão acaba por quebrar esta junção molecular, completando o ciclo de comutação. O AS de prata à base de Ta 2 O 5 funcionou de forma estável a baixas tensões (cerca de 0,3 V) tanto em condições de ultra-alto vácuo como num ambiente de acetileno.
A equipa confirmou que o interrutor funcionou como previsto, utilizando uma técnica denominada espetroscopia de tunelamento de electrões inelásticos. Este método detecta as pequenas vibrações das moléculas quando a eletricidade passa através delas. As moléculas de acetileno produziram sinais vibratórios claros, mostrando que estavam diretamente ligadas ao filamento de prata e ajudando a transportar a corrente. Além disso, a condutância do dispositivo mostrou valores que variavam entre 10 -3 - 10 -1 G 0 , típicos de junções de molécula única, confirmando que a ligação eléctrica existia a nível molecular.
Esta nova técnica elimina a necessidade de ajustar fisicamente os eléctrodos para formar junções moleculares, um processo que durante muito tempo limitou a eletrónica molecular a experiências laboratoriais. Utilizando interruptores atómicos, podem ser criadas automática e simultaneamente múltiplas junções moleculares, abrindo caminho para um método de fabrico fiável e escalável.
"Espera-se que as descobertas contribuam significativamente para o desenvolvimento de dispositivos moleculares eficientes em termos energéticos, tais como interruptores e sensores, que aproveitem as propriedades quânticas das moléculas", afirma Kaneko.
Esta descoberta aproxima-nos de dispositivos ultra-compactos e energeticamente eficientes, em que circuitos electrónicos inteiros são construídos a partir de moléculas individuais.
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