Einzigartiges Molekül könnte zu kleineren, effizienteren Computern führen
Neue Art von Molekülen könnte ein bahnbrechendes Material für Computerchips sein
Heutzutage tragen die meisten von uns einen ziemlich leistungsstarken Computer in der Hand - ein Smartphone. Aber Computer waren nicht immer so tragbar. Seit den 1980er Jahren sind sie kleiner und leichter geworden und können immer größere Datenmengen speichern und verarbeiten. Doch die Siliziumchips, die Computer antreiben, können nur so klein werden.
Von links: Shen, Wang und Shiri mit ihrem Molekül und einem chemischen Modell desselben.
Joshua Prezant/University of Miami
"In den letzten 50 Jahren hat sich die Anzahl der Transistoren, die wir auf einem Chip unterbringen können, alle zwei Jahre verdoppelt", sagt Kun Wang, Assistenzprofessor für Physik am College of Arts and Sciences der University of Miami. "Aber wir stoßen schnell an die physikalischen Grenzen für siliziumbasierte Elektronik, und es wird immer schwieriger, elektronische Komponenten mit den Technologien zu miniaturisieren, die wir seit einem halben Jahrhundert verwenden.
Dieses Problem wollen Wang und viele andere Forscher auf dem Gebiet der molekularen Elektronik lösen. Konkret suchen sie nach einer Möglichkeit, Strom zu leiten, ohne Silizium oder Metall zu verwenden, die heute für die Herstellung von Computerchips eingesetzt werden. Die Verwendung winziger molekularer Materialien für funktionelle Komponenten wie Transistoren, Sensoren und Verbindungen in elektronischen Chips bietet mehrere Vorteile, insbesondere da die herkömmlichen siliziumbasierten Technologien an ihre physikalischen und leistungsmäßigen Grenzen stoßen.
Doch die Suche nach der idealen chemischen Zusammensetzung dieses Moleküls hat die Wissenschaftler vor ein Rätsel gestellt. Kürzlich entdeckte Wang zusammen mit seinen Studenten Mehrdad Shiri und Shaocheng Shen sowie Jason Azoulay, außerordentlicher Professor am Georgia Institute of Technology, und Ignacio Franco, Professor an der University of Rochester, eine vielversprechende Lösung.
Das Team präsentierte das ihrer Meinung nach elektrisch leitfähigste organische Molekül der Welt. Ihre Entdeckung, die im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht wurde, eröffnet neue Möglichkeiten für die Konstruktion kleinerer, leistungsfähigerer Computer auf molekularer Ebene. Noch besser ist, dass das Molekül aus chemischen Elementen besteht, die in der Natur vorkommen - vor allem Kohlenstoff, Schwefel und Stickstoff.
"Bisher gibt es kein molekulares Material, durch das Elektronen ohne nennenswerten Verlust an Leitfähigkeit wandern können", so Wang. "Diese Arbeit ist der erste Nachweis, dass organische Moleküle Elektronen ohne Energieverlust über mehrere Dutzend Nanometer durch sie hindurchwandern lassen.
Die Prüfung und Validierung ihres einzigartigen neuen Moleküls dauerte mehr als zwei Jahre.
Die Arbeit des Teams zeigt jedoch, dass ihre Moleküle unter alltäglichen Umgebungsbedingungen stabil sind und die höchstmögliche elektrische Leitfähigkeit bei unvergleichlichen Längen bieten. Daher könnten sie den Weg dafür ebnen, dass klassische Computergeräte kleiner, energie- und kosteneffizienter werden, fügte Wang hinzu.
Derzeit nimmt die Fähigkeit eines Moleküls, Elektronen zu leiten, mit zunehmender Molekülgröße exponentiell ab. Diese neu entwickelten molekularen "Drähte" werden auf der Autobahn benötigt, um Informationen zu übertragen, zu verarbeiten und zu speichern, so Wang.
"Das Besondere an unserem molekularen System ist, dass sich die Elektronen wie eine Kugel ohne Energieverlust durch das Molekül bewegen, so dass es sich theoretisch um die effizienteste Art des Elektronentransports in einem materiellen System handelt", so Wang. "Es kann nicht nur künftige elektronische Geräte verkleinern, sondern seine Struktur könnte auch Funktionen ermöglichen, die mit Materialien auf Siliziumbasis gar nicht möglich wären."
Wang meint, dass die Fähigkeiten des Moleküls neue Möglichkeiten schaffen könnten, die molekülbasierte Quanteninformationswissenschaft zu revolutionieren.
"Die in unseren Molekülen beobachtete ultrahohe elektrische Leitfähigkeit ist das Ergebnis einer faszinierenden Wechselwirkung von Elektronenspins an den beiden Enden des Moleküls", fügt er hinzu. "In Zukunft könnte man dieses molekulare System als Qubit verwenden, das eine grundlegende Einheit für die Quanteninformatik ist.
Das Team konnte diese Fähigkeiten feststellen, indem es sein neues Molekül unter einem Rastertunnelmikroskop (STM) untersuchte. Mit einer Technik, die STM-Break-Junction genannt wird, konnte das Team ein einzelnes Molekül einfangen und seine Leitfähigkeit messen.
Shiri, die Doktorandin, fügte hinzu: "Was die Anwendung angeht, so ist dieses Molekül ein großer Schritt in Richtung realer Anwendungen. Da es chemisch robust und luftstabil ist, könnte es sogar in bestehende nanoelektronische Komponenten in einem Chip integriert werden und als elektronischer Draht oder als Verbindung zwischen Chips dienen."
Darüber hinaus sind die für die Zusammensetzung des Moleküls benötigten Materialien kostengünstig und es kann im Labor hergestellt werden.
"Dieses molekulare System funktioniert auf eine Art und Weise, die mit den derzeitigen, konventionellen Materialien nicht möglich ist", so Wang. "Das sind neue Eigenschaften, die die Kosten nicht in die Höhe treiben, aber (Computergeräte) leistungsfähiger und energieeffizienter machen könnten.
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Originalveröffentlichung
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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