Как удалось выяснить ученым, сопротивление такого контакта определяется пространственным положением молекулы относительно соединяемых ею поверхностей.

Результаты первых работ по созданию контактов из одиночных молекул и измерению их проводимости появились больше десяти лет назад. Однако процесс формирования прочных соединений на уровне наноструктур чрезвычайно сложен, а потому результаты экспериментов и теоретические предсказания зачастую расходились на порядок и более. По-видимому, пришло время провести сравнение опытных данных с теоретическими.

Эмпирическую информацию ученые получали с помощью сканирующего туннельного микроскопа, оборудованного проводящей золотой иглой. Ранее было показано, что при контакте иглы с золотой поверхностью и последующем увеличении расстояния между ними область контакта постепенно удлиняется и превращается в цепочку молекул. Когда цепочка разрывается, расположенные вблизи молекулы какого-либо другого вещества могут занять место в возникшем зазоре; в результате сопротивление соединения резко меняется. Применяя описанную методику, исследователи выяснили, что проводимость молекул производных от аминов веществ, которые контактируют с золотыми электродами, можно измерять с высокой точностью.

Разработанный теоретический аппарат ученые «протестировали» на примере соединения между золотом и молекулами бипиридина, образующимися при слиянии двух молекул пиридина колцеобразной формы. Эксперименты показали наличие двух явно выраженных стабильных проводящих состояний; по предположению, высказанному одним из авторов, значение проводимости в данном случае должна определять структура контакта.

В результате проверки гипотезы ученые создали стройную теорию, детально описывающую процессы, под влиянием которых происходит изменение сопротивления. Оказалось, что проводимость молекулы бипиридина зависит от ее ориентации в зазоре. На той стадии эксперимента с микроскопом, когда последняя цепочка атомов золота разрывается, ширина зазора оказывается недостаточной для бипиридина, и его молекула образует связь под некоторым углом. С увеличением зазора связь приходит в вертикальное состояние, а проводимость резко падает; дальнейшее удлинение контакта заканчивается разрывом.

Убедившись в правильности своей теории, ученые продемонстрировали обратимость процесса изменения проводимости. Таким образом, исследователи создали механический ключ с выделенными состояниями «включено» и «выключено». В последующих экспериментах авторы планируют распространить теорию на более сложные молекулярные контакты, которые могут быть, например, использованы в системах преобразования солнечной энергии.

Отчет ученых готовится к публикации в журнале  Nature Nanotechnology; препринт статьи доступен для скачивания с сайта arXiv.