viernes, 12 de agosto de 2011

Comprendiendo cómo las moléculas conducen electricidad

Créditos: Rice.edu
La tecnología producto de avances en Física e ingeniería en ocasiones llega a callejones sin salida. En la búsqueda de dispositivos electrónicos más pequeños y eficientes podemos encontrarnos ante una aparente reducción de enfoques existentes, mientras que en la búsqueda de alternativas hay quienes optan por el uso de moléculas para hacer todo. La idea es sencilla: la conducción electrónica a través de una molécula puede ser controlada mediante el uso de electrones para modificar la configuración electrónica o física de la molécula. Ya que sólo se requiere unos pocos femtosegundos (10-15) para cambiar este estado.

 Aunque en teoría suena una perfecta idea, la práctica dista un poco de ser así. Pese a que se tiene un completo registro científico de conductores en la vida real no se ha trabajado plenamente con moléculas como para hacer dispositivos. Con poco tiempo la pregunta a la que se enfrentan científicos es ¿Cómo funcionan?

¡Oh, no!, él va a hablar de la interferencia

Pensar en la conducción de metales es generalmente evocar la idea de electrones libres vagando alrededor. Si se aplica fuerza, se mueven y se puede trabajar. En semiconductores el número de electrones es menor pero es posible agregar o quitar electrones, para así aumentar o reducir la conducción.

En ambas situaciones, se puede tratar a los electrones como partículas puntuales para ser rebotadas a través de un material. Las moléculas no son así. Los electrones en la moléculas se parecen más a las ondas, para poder viajar de una molécula a otra, las diferentes vías se unen en una fase (donde el concepto clave es superposición cuántica). Es decir, un electrón puede tener rutas posibles para poder viajar de A a B, las rutas sirven para hacerlo más sencillo.

Lo anterior es válido para los casos en los que un electrón salta de una molécula a un metal. No obstante hay un problema: considere inicia en un conductor y termina en un aislante, por lo general se anulan. Está fase en realidad en una propiedad fundamental de la naturaleza ondulatoria de las partículas cuánticas que no se puede evitar. A la vez plantea una cuestión importante: si se cancelan las vías ¿cómo se puede pasar corriente a través de una unión molecular?

No, nada más que la coherencia

La respuesta está en la coherencia de los electrones a medida que atraviesan la molécula. En la situación ideal, donde una molécula se mantiene coherente y los electrones tienen injerencia perfecta. Pero sólo por unirse una molécula en un alambre de metal, perturban el delicado equilibrio y con ello, la interferencia perfecta. De hecho, incluso sin el metal, la molécula está continuamente en movimiento, los enlaces entre átomos vibran y rotan, pero el metal se asegura de que este movimiento permanezca en condiciones adecuadas.

Lo que pasa con las vibraciones moleculares es que tienen frecuencias específicas, puede ser excitadas, después de lo cual vibran un rato y luego se detienen. La cantidad de tiempo que va a vibrar es muy importante porque el electrón se mantendré en vibración a medida que viaja.

El metal hace que los modos de vibración para iniciar y detenerse de nuevo sean rápidos. Es esta combinación de distintos modos de vibración, tanto su parada como arranque, que destruye la coherencia entre los diversos caminos. Esencialmente, usted puede pensar en los modos de vibración al azar como la creación de colinas y valles a lo largo de los caminos. Esto hace que algunas rutas de acceso sean imposible una pequeña parte del tiempo, mediante la eliminación de la interferencia. El resultado final es que, en un momento dado, el electrón tendrá un único camino.

Esos fueron sólo los cálculos generales. Los investigadores también consideran un sistema molecular real y encontraron que sus cálculos predicen la conductividad bastante bien. Mejor aún, porque es muy general, lo que será ampliamente aplicable a otras moléculas y a conductores que se basan en la interferencia de la conducción.

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