הגבול העליון

כדי לבדוק הולכה מולקולרית, מדענים בונים התקנים חשמליים אשר מורכבים מאלקטרודות מתכתיות וביניהן המולקולה הנבחנת. בדרך כלל, המולקולה נקשרת לאלקטרודות באמצעות קבוצות כימיות צדדיות השומרות על הפרדה, כך שהמולקולה משמרת במידה רבה את תכונותיה. במחקר זה בחרו ד”ר טל וחברי קבוצתו לוותר על הקבוצות הצדדיות, כדי להסיר את החסימה הפוטנציאלית בפני מעבר יעיל של זרם אלקטרונים. הם השתמשו במכשיר הנמצא בתוך תא ריק (ואקום), מקרר חוט מתכת בעובי שערה למינוס 269 מעלות צלזיוס, ואז מכופף אותו, כך שהחוט מתדקק במרכזו עד לעובי של אטום בודד, ולבסוף נשבר. ברווח שנוצר בין שני חלקי החוט המסתיימים בחוד אטומי נלכדת המולקולה הנבחנת מתוך מספר רב של מולקולות ששוחררו לחלל התא, וכך נוצר הצומת המולקולרי.

“אנחנו יוצרים מגע בין המולקולה לבין המתכת, והממשק יוצר תכונות חדשות”, אומר ד”ר טל. “לדוגמה, לפני כשנה גילינו שאם מכניסים מולקולה של חמצן בין שתי אלקטרודות ניקל, מתפרקת המולקולה לאטומים אשר מגשרים בין האלקטרודות. הצומת האטומי שנוצר מאפשר מעבר של אלקטרונים בעלי ספין בכיוון אחד בלבד, תכונה רצויה מאוד בתחום הספינטרוניקה – אלקטרוניקה מבוססת ספין. זוהי דוגמה להתנהגות חדשה הנוצרת בממשק שבין חומרים שונים, שאינה מאפיינת כל חומר בנפרד”.

כדי לקבל הולכה גבוהה בצמתים המולקולריים, נעשה שימוש במולקולות שבהן חלק מהאלקטרונים חופשיים, ויכולים להימצא בכל מקום על המולקולה. המולקולות חוברו ישירות בין שתי אלקטרודות מתכתיות כך שמסלולי האלקטרונים שעל המולקולה מתלכדים במידה מסוימת עם אלו של אלקטרוני המתכת הניידים. בהולכה יש תחרות בין שתי מגמות הפוכות: מצד אחד, ככל שהמולקולה ארוכה יותר, רמות האנרגיה שלה מתאימות יותר לאלו של המתכת, ולכן ההולכה טובה יותר; מצד אחר, ככל שהמולקולה ארוכה יותר, המסלול של אלקטרון על המולקולה מתפרס על מבנה ארוך יותר, כך שמידת החפיפה שלו עם המתכת נמוכה יותר, דבר המגביל את ההולכה.

במחקר, שביצעו בשיתוף עם קבוצות המחקר של פרופ’ פרדיננד אברס מגרמניה ופרופ’ קולין נקלס מארצות-הברית, מצאו המדענים כי בצומת מולקולרי בעל אלקטרודות כסף, כאשר המולקולה קצרה יחסית, המגמה הראשונה דומיננטית, וההולכה עולה ככל שאורך המולקולה גדל, עד לנקודת רוויה בה המגמות מבטלות זו את זו. לעומת זאת, בצומת בעל אלקטרודות פלטינה, התלכדות מסלולי האלקטרונים המולקולריים עם אלו של המתכת יעילה מאוד, והמולקולה מתנהגת כהמשך של המתכת, כך שההולכה דרכה רווּיה ודומה לזו של מתכת, כלומר אינה רגישה להבדלים במבנה האלקטרוני של מולקולות בעלות אורך שונה.

“הצלחנו לחקור בפעם הראשונה את הגבול העליון של הולכה בצומת מולקולרי, והראינו שאופי הממשק בין האלקטרודה לבין המולקולה מכתיב את המנגנון אשר מגביל את ההולכה דרך המולקולה”, אומר ד”ר טל. “אנחנו מעוניינים ללמוד כיצד אפשר לשלוט בהולכה חשמלית בקצה גבול המיזעור האלקטרוני. בגלל העושר המבני של מולקולות, השימוש בהן כבהתקן אלקטרוני מאפשר לנו לחפש עקרונות כלליים לשליטה על הולכה חשמלית בקנה מידה ננומטרי – עקרונות שיכולים להיות שימושיים גם במערכות ננומטריות אחרות”.