یک گروه تحقیقات بین‌المللی از آمریکا، آلمان و چین با استفاده از عایق‌های توپولوژیکی یک‌بُعدی، موفق به ساخت نانوسیم رسانا شدند که با افزایش طول، افزایش رسانایی را تجربه می‌کند.
ساخت نانوسیم رسانا که با افزایش طول، افزایش رسانایی را تجربه می‌کند
همانطور که دستگاه‌های ما کوچکتر و کوچکتر می‌شوند، استفاده از مولکول‌ها به عنوان اجزای اصلی در مدارهای الکترونیکی حیاتی‌تر می‌شود. در طول ۱۰ سال گذشته، محققان به دلیل مقیاس کوچک، ویژگی‌های الکترونیکی متمایز و قابلیت تنظیم بالا، سعی کرده‌اند از مولکول‌های منفرد به عنوان سیم رسانا استفاده کنند. اما در اکثر سیم‌های مولکولی، با افزایش طول سیم، بازده انتقال الکترون‌ها از طریق سیم به صورت تصاعدی کاهش می‌یابد. این محدودیت ساخت یک سیم مولکولی بلند است، سیمی که بسیار بلند‌تر از یک نانومتر بوده و می‌تواند الکتریسیته را به خوبی هدایت کند. این فناوری برای محققان چالش برانگیز است.
محققان دانشگاه کلمبیا اعلام کردند که نانوسیمی به طول ۲٫۶ نانومتر ساخته‌اند که با افزایش طول سیم، رسانایی به صورت غیرعادی افزایش می‌یابد و خواص شبه فلزی دارد. رسانایی عالی این سیم نوید بزرگی برای حوزه الکترونیک مولکولی دارد و به دستگاه‌های الکترونیکی امکان می‌دهد حتی کوچکتر شوند. نتایج این مطالعه در قالب مقاله‌ای در نشریه Nature Chemistry منتشر شده است.
تیمی از محققان از دانشگاه کلمبیا، همراه با نظریه‌پردازانی از دانشگاه درسدن و دانشگاه رگنبورگ آلمان و شیمی‌دانان موسسه علم و فناوری بیجینگ چین، طرح‌هایی از سیم مولکولی را بررسی کردند که الکترون‌های جفت‌نشده را در هر دو طرف پشتیبانی می‌کنند، زیرا چنین سیم‌هایی مشابه عایق‌های توپولوژیکی یک بعدی می‌شوند که در لبه‌های خود بسیار رسانا هستند اما در مرکز عایق هستند.
در حالی که ساده‌ترین عایق‌های توپولوژیکی یک بُعدی فقط از اتم‌های کربن ساخته شده است که در آن کربن‌های انتهایی از حالت‌های رادیکال پشتیبانی می‌کنند، الکترون‌های جفت‌نشده، این مولکول‌ها عموماً بسیار ناپایدار هستند. کربن دوست ندارد الکترون‌های جفت نشده داشته باشد. جایگزینی کربن‌های انتهایی، جایی که رادیکال ها هستند، با نیتروژن، پایداری مولکول‌ها را افزایش می‌دهد. لاتا ونکاتارامان، سرپرست این تیم تحقیقاتی و پروفسور فیزیک کاربردی گفت: «این موضوع باعث می‌شود عایق‌های توپولوژیکی یک بعدی که با زنجیره‌های کربنی ساخته می‌شوند، اما با نیتروژن پایان می‌یابند، بسیار پایدارتر شوند و ما می‌توانیم در دمای اتاق در شرایط محیطی با آن‌ها کار کنیم.»
این گروه از طریق ترکیبی از طراحی شیمیایی و آزمایش‌ها، مجموعه‌ای از عایق‌های توپولوژیکی یک‌بُعدی را ایجاد کردند و با موفقیت قانون فروپاشی نمایی را شکستند. محققان با استفاده از این معماری مولکول‌ها و به کارگیری حالت‌های «لبه-رادیکال» مسیری با رسانایی بسیار بالا ایجاد کردند و به “واپاشی رسانایی معکوس” دست یافتند، یعنی سیستمی که افزایش طول سیم، افزایش رسانایی را تجربه می‌کند.
ونکاتارامن گفت: «آنچه واقعاً هیجان‌انگیز است این است که سیم ما رسانایی در مقیاس تماس نقطه‌ای فلز-فلز طلا دارد که نشان می‌دهد خود مولکول خواص شبه فلزی دارد. این کار نشان می‌دهد که مولکول‌های آلی می‌توانند در سطح تک مولکولی مانند فلزات رفتار کنند، برخلاف آنچه در گذشته انجام می‌شد، جایی که عمدتاً رسانای ضعیفی داشتند.»
این گروه در حال حاضر در حال توسعه طرح‌های جدیدی برای ساخت سیم‌های مولکولی است که حتی طولانی‌تر هستند و هنوز رسانایی بالایی دارند.
