Los cables moleculares (o a veces llamados nanocables moleculares) son cadenas moleculares que conducen corriente eléctrica. Son los componentes básicos propuestos para dispositivos electrónicos moleculares. Sus diámetros típicos son inferiores a tres nanómetros, mientras que sus longitudes pueden ser macroscópicas y extenderse a centímetros o más.
La mayoría de los tipos de cables moleculares se derivan de moléculas orgánicas. Un cable molecular natural es el ADN . Los ejemplos inorgánicos destacados incluyen materiales poliméricos como Li 2 Mo 6 Se 6 [1] y Mo 6 S 9−x I x , [2] [3] [4] [Pd 4 (CO) 4 (OAc) 4 Pd(acac ) 2 ], [5] y cadenas de átomos metálicos extendidos de una sola molécula (EMAC), que comprenden cadenas de átomos de metales de transición unidos directamente entre sí. [6] Los cables moleculares que contienen restos inorgánicos paramagnéticos pueden exhibir picos de Kondo .
Los cables moleculares conducen la electricidad. Por lo general, tienen características de corriente-voltaje no lineales y no se comportan como conductores óhmicos simples. La conductancia sigue el comportamiento típico de la ley de potencia en función de la temperatura o del campo eléctrico, cualquiera que sea mayor, debido a su fuerte carácter unidimensional. Se han utilizado numerosas ideas teóricas en un intento de comprender la conductividad de sistemas unidimensionales, donde fuertes interacciones entre electrones conducen a desviaciones del comportamiento metálico normal ( líquido de Fermi ). Conceptos importantes son los introducidos por Tomonaga , Luttinger y Wigner . También se ha descubierto que los efectos causados por la repulsión clásica de Coulomb (llamada bloqueo de Coulomb ), las interacciones con grados de libertad vibratorios (llamados fonones ) y la decoherencia cuántica [7] son importantes para determinar las propiedades de los cables moleculares.
Se han desarrollado métodos para la síntesis de diversos tipos de cables moleculares (por ejemplo, cables moleculares orgánicos y cables moleculares inorgánicos). [8] El principio básico es ensamblar módulos repetitivos. Los cables moleculares orgánicos generalmente se sintetizan mediante reacciones de acoplamiento cruzado mediadas por metales de transición .
Los cables moleculares orgánicos suelen consistir en anillos aromáticos conectados por grupos etileno o acetileno . Las reacciones de acoplamiento cruzado mediadas por metales de transición se utilizan para conectar bloques de construcción simples de forma convergente para construir cables moleculares orgánicos. Por ejemplo, se sintetizó un alambre molecular (B) de tipo oligo (fenileno etilnileno) simple a partir de 1-bromo-4-yodobenceno (A) fácilmente disponible. [9] El producto final se obtuvo a través de varios pasos de reacciones de acoplamiento de Sonogashira .
Otros cables moleculares orgánicos incluyen nanotubos de carbono y ADN . Los nanotubos de carbono se pueden sintetizar mediante diversos enfoques nanotecnológicos. El ADN se puede preparar mediante síntesis de ADN paso a paso en fase sólida o mediante replicación catalizada por ADN polimerasa dentro de las células.
Recientemente se demostró que la piridina y los polímeros derivados de piridina pueden formar cadenas de poliazaacetileno electrónicamente conductoras bajo simple irradiación ultravioleta, y que la observación común de "oscurecimiento" de muestras de piridina envejecidas se debe en parte a la formación de cables moleculares. Los geles mostraron una transición entre la conductividad iónica y la conductividad electrónica tras la irradiación. [10]
Una clase de cables moleculares inorgánicos consta de subunidades relacionadas con grupos de Chevrel. La síntesis de Mo 6 S 9−x I x se realizó en una ampolla de cuarzo sellada y sometida a vacío a 1343 K. En Mo 6 S 9−x I x , las unidades repetidas son grupos de Mo 6 S 9−x I x , que están unidos unidos por puentes flexibles de azufre o yodo. [11]
También se pueden producir cadenas a partir de precursores metaloorgánicos. [12]
Para ser útiles para conectar moléculas, los MW deben autoensamblarse siguiendo rutas bien definidas y formar contactos eléctricos confiables entre ellos. Autoensamblar de forma reproducible un circuito complejo basado en moléculas individuales. Idealmente, se conectarían a diversos materiales, como superficies metálicas doradas (para conexiones con el mundo exterior), biomoléculas (para nanosensores, nanoelectrodos, interruptores moleculares) y, lo más importante, deben permitir la ramificación. Los conectores también deberían estar disponibles con un diámetro y una longitud predeterminados. También deben tener enlaces covalentes para garantizar propiedades de contacto y transporte reproducibles.
Las moléculas similares al ADN tienen un reconocimiento específico a escala molecular y pueden usarse en la fabricación de andamios moleculares. Se han demostrado formas complejas, pero desafortunadamente el ADN recubierto de metal, que es conductor de electricidad, es demasiado grueso para conectarse a moléculas individuales. El ADN recubierto con una capa más delgada carece de conectividad electrónica y no es adecuado para conectar componentes electrónicos moleculares.
Algunas variedades de nanotubos de carbono (CNT) son conductores y la conectividad en sus extremos se puede lograr mediante la unión de grupos conectores. Lamentablemente, en la actualidad es imposible fabricar CNT con propiedades predeterminadas y los extremos funcionalizados normalmente no son conductores, lo que limita su utilidad como conectores moleculares. Los CNT individuales se pueden soldar en un microscopio electrónico, pero el contacto no es covalente y no se puede montar uno mismo.
Se han demostrado posibles rutas para la construcción de circuitos funcionales más grandes utilizando Mo 6 S 9 − x I x MW, ya sea a través de nanopartículas de oro como conectores o mediante conexión directa a moléculas tioladas. Los dos enfoques pueden conducir a diferentes aplicaciones posibles. El uso de GNP ofrece la posibilidad de ramificar y construir circuitos más grandes.
Los alambres moleculares se pueden incorporar a los polímeros , mejorando sus propiedades mecánicas y/o conductoras. La mejora de estas propiedades depende de la dispersión uniforme de los alambres en el polímero huésped. Se han fabricado cables MoSI en dichos compuestos, basándose en su solubilidad superior dentro del polímero huésped en comparación con otros nanocables o nanotubos. Se pueden utilizar haces de cables para mejorar las propiedades tribológicas de los polímeros, con aplicaciones en actuadores y potenciómetros. Recientemente se ha propuesto que los nanocables retorcidos podrían funcionar como nanodispositivos electromecánicos (o nanobalanzas de torsión ) para medir fuerzas y pares a nanoescala con gran precisión. [14]