Elektrische geleiding in lange moleculen anders dan in korte

De manier waarop elektronen zich door een moleculair draadje voortbewegen en zo een elektrische stroom vormen, verandert naarmate het draadje langer wordt. Dit theoretisch al eerder voorspelde verschijnsel heeft consequenties voor het ontwerp van moleculaire elektronica, de kleinst mogelijke schakelingen op een chip (Science, 13 juni).

De weerstand van een koperdraadje neemt toe naarmate het langer is. Dat komt doordat de elektronen niet in één keer ongehinderd van het ene naar het andere uiteinde kunnen schieten, maar willekeurig van atoom naar atoom springen tot ze aan de andere kant uitkomen. Ook afzonderlijke moleculen kunnen elektronen geleiden, als hun eigen elektronen tenminste een zekere bewegingsvrijheid hebben. Dat is onder meer het geval in organische moleculen waarin enkele en dubbele verbindingen tussen koolstofatomen elkaar afwisselen.

Uitgaande van zo’n soort molecuul wisten Seong Ho Choi en zijn collega’s van de universiteit van Minnesota geleidende moleculaire ketens te maken door er een aantal achter elkaar te knopen. Ze konden zo op een heel geordende manier de lengte van het moleculaire stroomdraadje variëren. Om elektronen in staat te stellen het draadje binnen te komen, plakten ze er aan één uiteinde nog een zwavelatoom aan. Dat heeft een grote affiniteit voor edelmetalen en wanneer deze moleculen in een oplossing over een dunne goudlaag spoelen, duiken ze daar dus direct met hun zwavelkop in. Zo ontstaat spontaan een laag van precies één molecuul dik, die wel wat weg heeft van een korenveld, met de wapperende koolstofketens als halmen. Met een dunne naald bij de uiteinden van de ‘halmen’ werd de stroomkring gesloten.

Choi ontdekte dat de elektronen in korte draadjes gebruikmaken van een quantummechanisch effect om aan de andere kant te komen. Ze trekken zich niets aan van de tussenliggende moleculen, die een feitelijke barrière vormen, maar ‘tunnelen’ in één keer door die barrière heen, van de goudlaag naar de naald.

Als het draadje echter langer is dan vier nanometer, dan is de kans dat dit lukt zo klein geworden, dat er niets anders op zit dan op de klassieke manier naar de andere kant te reizen, door van atoom naar atoom te springen. Choi liet ook nog zien dat de weerstand van dit soort draadjes toeneemt als hij één geleidend molecuul in de keten verving door een niet-geleidend molecuul. Rob van den Berg