Investigadores madrileños logran un importante avance en electrónica molecular, campo en el que se utilizan moléculas como bloques activos en componentes electrónicos
Con el desarrollo de técnicas experimentales y teóricas avanzadas, la electrónica molecular —disciplina en la que los conductores eléctricos están exclusivamente formados por moléculas orgánicas (no por metales)— ha dejado de ser una curiosidad científica para adentrarse en el mundo de los nanodispositivos funcionales.
Investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y el Instituto IMDEA Nanociencia, en un trabajo publicado en la revista Nanoscale, han demostrado que la variación de la conductividad a través de moléculas conectadas a electrodos externos, formando lo que se denomina una unión molecular, se puede predecir de manera cualitativamente correcta utilizando un modelo computacional rápido y sencillo. Esto abre las puertas el estudio masivo y sistemático de diferentes uniones moleculares, cada vez más complejas, lo que facilitará el diseño de uniones moleculares con la conductividad adecuada para cada dispositivo.
Electrónica molecular
El uso de moléculas como bloques activos en componentes electrónicos no solo puede ayudar a sobrepasar los límites establecidos por la ley de Moore en la progresiva miniaturización de dispositivos electrónicos. También ofrece nuevas funcionalidades y ventajas con respecto a la electrónica convencional.
Aun así, la funcionalidad final en este tipo de dispositivos no está definida únicamente por la naturaleza intrínseca de la molécula, sino también por la de los electrodos. Y lo más importante, por los fenómenos interfaciales entre molécula y electrodo.
En la imagen superior, variación de la conductancia en nueve uniones moleculares predicha por costosos cálculos computacionales de primeros principios (rombos de color rojo) y del modelo HOMOHuckel desarrollado por los autores. En la imagen inferior, orbital responsable de la conductividad en la unión molecular constituida por dos electrodos de oro y una molécula de antraceno con dos grupos de anclaje amino / Fallaque et al.
Las medidas experimentales de conductancia en uniones moleculares poseen naturaleza estocástica, requiriendo un gran número de registros ante la dificultad de controlar la geometría de la unión molécula-electrodo durante las medidas. Esto da lugar a una cierta dispersión en las mediciones y requiere con frecuencia el apoyo de simulaciones teóricas para entender qué ocurre a escala nanométrica.
Modelos y supercomputación
Los métodos teóricos más utilizados para investigar este tipo de problemas son los basados en funciones de Green (FG) y en la teoría del funcional de la densidad (DFT). Estas teorías requieren de un alto nivel de conocimiento, tanto matemático como físico, siendo computacionalmente muy costosas o incluso inaccesibles con los superordenadores actuales.
En consecuencia, el avance en este campo se vería impulsado por la existencia de metodologías teóricas sencillas, rápidas y de baja demanda computacional, que además permitieran el estudio de un gran número de moléculas de forma conjunta. Además, idealmente, estos modelos deberían estar al alcance de un número amplio de investigadores, no solo especialistas en simulaciones computacionales, y deberían ser de fácil utilización, incluso en ordenadores personales.
El modelo propuesto en Nanoscale se basa en la teoría de orbitales moleculares de Hückel extendida. Para comprobar su efectividad e idoneidad se aplicó sobre un total de 31 moléculas y los resultados se compararon con los de costosos cálculos DFT-S y experimentos llevados a cabo mediante la técnica de ruptura de unión usando un microscopio de efecto túnel (BJ-STM). Las simulaciones teóricas DFT-S, utilizadas para validar los resultados del modelo, se realizaron en el superordenador Marenostrum4 de la Red Española de Supercomputación, requiriendo alrededor de 320 núcleos de procesador durante 30 horas.
En comparación, las simulaciones con el modelo propuesto sólo necesitaron 1 núcleo y menos de 1 minuto.
Referencia bibliográfica:
Fallaque, J. G.; Rodríguez-González, S.; Díaz, C.; Martín, F. 2022. A simple model to engineer single-molecule conductance of acenes by chemical disubstitution. Nanoscale 14, 464–472.
