Иллюстрация: Схематичное изображение молекулярного переключателя (Рисунок из Science, 2016. DOI: 10.1126/science.aaf6298)

Миниатюризация электроники в наше время – вещь уже достаточно привычная, однако исследователи не останавливаются на достигнутом: их главная цель – создание электронных схем и устройств из отдельных молекул. Без молекулярного переключателя все эти цепи и устройства просто не смогут работать, поэтому поиск молекул, способных в зависимости от воздействия вести себя то как проводник, то как изолятор, ведется особенно активно.

Кандидатами на роль таких переключателей являются диарилэтены, которые могут существовать и в закрытой конфигурации, проводящей электрический ток, и в открытой, которая «размыкает» цепь. Свободная молекула становится проводником при облучении УФ-светом, а диэлектриком – при воздействии видимым светом.

Увы, свободная молекула и эта же молекула, подсоединенная к электродам, ведут себя по-разному. В 2003 году выяснилось, что, если подключить молекулу диарилэтена к золотым электродам, она проводит электрический ток, но после того как ее «раскрывают» видимым светом, никакое УФ-излучение не возвращает ее в электропроводное состояние (Phys. Rev. Lett., 2003, 91, 207402. DOI: 10.1103/PhysRevLett.91.207402). Более свежие работы, в которых золотые электроды были заменены на графеновые, наоборот, показали, что для этих электродов диарилэтен остается в состоянии «всё включено», возможно из-за межмолекулярных взаимодействий диарилэтен-графен (Angew. Chem. Int. Ed., 2013. DOI: 10.1002/anie.201304301).

Неудача с графеновыми электродами не остановила исследователей из группы Сюфена Гуо (Xuefeng Guo) из Пекинского университета, и они решили отдалить диарилэтен от каждого графенового электрода тремя метиленовыми группами CH₂, известными как гомологическая разность, синтезировав таким образом гомологи исходных молекулярных переключателей. Несмотря на кажущуюся простоту подхода, применить его оказалось не слишком легко, пока исследователям удалось получить только 46 таких молекулярных переключателей, но достигнутый результат превзошёл все ожидания (вот теперь и принимай на веру слова учителей химии о близости свойств гомологов).

По словам Гуо, все 46 молекулярных переключателей обратимо переходят из состояния «вкл.» в состояние «выкл.», каждое молекулярное устройство выдерживает по сотне таких обратимых переходов. Без внешнего воздействия новые переключатели остаются стабильными до года, тогда как их предшественники разрушались за минуты, часы и, в лучшем случае, дни.