Вопрос длины
Граница между большим и малым неопределенна - она очень сильно зависит от установленных вами стандартов. Тем не менее, кажется, есть что-то среднее между крошечным и даже еще более крошечным, что знаменует собой переход. Ведь от того, насколько коротким или длинным будет кабель из молекул, зависит, как в нем движутся носители заряда. Электрическая проводка теперь является частью нашей повседневной жизни: будь то кабели сантиметрового масштаба, в которых поток бесчисленных электронов обеспечивает энергию для света, музыки или телевидения, или более мелкие версии электронных устройств, таких как компьютеры. Иногда здесь можно встретить провода диаметром в микрометровом диапазоне - то есть размером с человеческий волос и меньше. Токопроводящие дорожки напылены на кремний, и, к сожалению, технические причины ограничивают их миниатюризацию.
Тем не менее, исследователи уже продвигаются в нанометровый диапазон с двузначным числом. Выход предлагает так называемая молекулярная электроника. Внутри крошечные компоненты должны быть соединены проводами из молекулярных цепочек диаметром менее миллиардной доли метра. Однако в целом органические молекулы или полимеры не проводят электричество. Только когда они будут наращиваться очень регулярно по определенному рецепту, это удастся. Например, молекула бета-каротина переносит электроны на несколько нанометров.
В нашем макроскопическом мире электрическое сопротивление металлической проволоки линейно увеличивается с ее длиной. Однако теория и эксперимент показывают, что этот размер ведет себя по-разному для молекул длиной в несколько нанометров. Сопротивление молекулы, зажатой между двумя электродами, экспоненциально возрастает с увеличением длины в этой области. Ученые связывают это внезапное изменение с особым методом, с помощью которого электроны перемещаются по нанопроводам.
В более длинных цепочках молекул электроны перескакивают с одного атома на другой, другими словами, они движутся обычным образом. Однако с длины всего в несколько нанометров носители заряда мигрируют с помощью квантово-механического туннельного эффекта - процесса, ответственного за радиоактивный альфа-распад или ядерный синтез и, таким образом, за производство солнечной энергии. Это позволяет электронам преодолевать потенциальные барьеры, в которых они классически отказывались, и в этом случае заставляет их перемещаться от одного атома к другому.
Даже если ранее изменение поведения электрического сопротивления можно было показать экспериментально, до сих пор не проводилось систематического исследования проводимости с проводами различной длины. Потому что обращаться с миниатюрными проводами довольно сложно даже на высокотехнологичном оборудовании. Однако исследователи во главе с Дэниелом Фрисби из Миннесотского университета в Миннеаполисе специализируются на этой сложной задаче. Для своего эксперимента они используют молекулы с так называемыми системами сопряженных связей, которые состоят из ароматических колец, одинарных и двойных связей.
Они изготовили в общей сложности десять проводов длиной от одного до семи нанометров, каждый протянул их между двумя электродами и исследовал их проводимость с помощью наконечника атомно-силового микроскопа. Около четырех нанометров произошло резкое изменение зависимости сопротивления от длины и температуры. Начиная с этой длины, транспортный механизм меняется - точно так, как предсказывает теория.
Фрисби и его коллеги также немного изменили архитектуру молекулярных цепей, добавив группу атомов, и наблюдают за влиянием на устойчивость. Здесь также наблюдалась явная разница в реакциях прыжковой и туннельной областей - еще одно указание на изменение способа передвижения за гранью между крохотными и даже крохотными.