ลวดโมเลกุล (หรือบางครั้งเรียกว่าลวดนาโนโมเลกุล) คือโซ่โมเลกุลที่นำกระแสไฟฟ้าได้ พวกมันเป็นหน่วยพื้นฐานที่ถูกเสนอสำหรับการสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ระดับโมเลกุล โดยทั่วไปจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่าสามนาโนเมตร ในขณะที่ความยาวอาจมีขนาดใหญ่มาก ตั้งแต่ระดับเซนติเมตรขึ้นไป

ลวดโมเลกุลส่วนใหญ่ได้มาจากโมเลกุลอินทรีย์ ลวดโมเลกุลที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติชนิดหนึ่งคือDNAตัวอย่างอนินทรีย์ที่โดดเด่น ได้แก่ วัสดุพอลิเมอร์ เช่น Li ₂ Mo ₆ Se ₆ ^{[ 1 ]}และ Mo ₆ S _9−x I _x , ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} [Pd ₄ (CO) ₄ (OAc) ₄ Pd(acac) ₂ ], ^{[ 5 ]} และ สายโซ่อะตอมโลหะแบบขยายโมเลกุลเดี่ยว(EMACs) ซึ่งประกอบด้วยสายของ อะตอม โลหะทรานซิชันที่เชื่อมต่อกันโดยตรง^{[ 6 ]}ลวดโมเลกุลที่มีส่วนประกอบอนินทรีย์พาราแมกเนติกสามารถแสดงยอดคอนโดได้

สายโมเลกุลนำไฟฟ้าได้ โดยทั่วไปจะมีลักษณะกระแส-แรงดันที่ไม่เป็นเชิงเส้น และไม่ทำตัวเหมือนตัวนำโอห์มิกธรรมดา การนำไฟฟ้าเป็นไปตามกฎกำลังทั่วไปเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิหรือสนามไฟฟ้า แล้วแต่ว่าค่าใดมากกว่า ซึ่งเกิดจากลักษณะหนึ่งมิติที่แข็งแกร่ง แนวคิดทางทฤษฎีมากมายถูกนำมาใช้เพื่อพยายามทำความเข้าใจการนำไฟฟ้าของระบบหนึ่งมิติ ซึ่งปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรงระหว่างอิเล็กตรอนนำไปสู่การเบี่ยงเบนจากพฤติกรรมโลหะปกติ ( ของเหลวเฟอร์มิ ) แนวคิดที่สำคัญคือแนวคิดที่นำเสนอโดยTomonaga , LuttingerและWignerผลกระทบที่เกิดจากการผลักกันของคูลอมบ์แบบคลาสสิก (เรียกว่าการปิดกั้นคู ลอมบ์ ) ปฏิสัมพันธ์กับระดับความเป็นอิสระของการสั่น (เรียกว่าโฟนอน ) และการลดทอนควอนตัม^{[ 7 ]}ก็พบว่ามีความสำคัญในการกำหนดคุณสมบัติของสายโมเลกุลเช่นกัน

ได้มีการพัฒนาวิธีการสังเคราะห์สายโมเลกุล ประเภทต่างๆ (เช่น สายโมเลกุลอินทรีย์และสายโมเลกุลอนินทรีย์) ^{[ 8 ]}หลักการพื้นฐานคือการประกอบโมดูลซ้ำๆ สายโมเลกุลอินทรีย์มักจะสังเคราะห์ผ่านปฏิกิริยาครอสคัปปลิงที่ เร่งปฏิกิริยาโดยโลหะทรานซิชัน

โดยทั่วไปแล้ว ลวดโมเลกุลอินทรีย์ประกอบด้วยวงแหวนอะโรมาติกที่เชื่อมต่อกันด้วยกลุ่มเอทิลีนหรือ กลุ่ม อะเซทิลีนปฏิกิริยาครอสคัปปลิงที่เร่งปฏิกิริยาโดยโลหะทรานซิชันถูกนำมาใช้เพื่อเชื่อมต่อบล็อกโครงสร้างพื้นฐานอย่างง่ายเข้าด้วยกันในลักษณะบรรจบกันเพื่อสร้างลวดโมเลกุลอินทรีย์ ตัวอย่างเช่น ลวดโมเลกุลชนิดโอลิโก (ฟีนิลีนเอทิลนิลีน) อย่างง่าย (B) ถูกสังเคราะห์ขึ้นโดยเริ่มจาก 1-โบรโม-4-ไอโอโดเบนซีน (A) ที่หาได้ง่าย^{[ 9 ]}ผลิตภัณฑ์สุดท้ายได้มาจากการปฏิกิริยา คัปปลิงโซโนกาชิระ หลายขั้นตอน

ลวดโมเลกุลอินทรีย์อื่นๆ ได้แก่ท่อนาโนคาร์บอนและดีเอ็นเอท่อนาโนคาร์บอนสามารถสังเคราะห์ได้ด้วยวิธีการทางนาโนเทคโนโลยีต่างๆ ดีเอ็นเอสามารถเตรียมได้โดยการสังเคราะห์ดีเอ็นเอ แบบทีละขั้นตอน บนเฟสของแข็ง หรือโดยการจำลองแบบโดยใช้เอนไซม์ดีเอ็นเอพอลิเมอเรสภายในเซลล์

เมื่อเร็วๆ นี้มีการแสดงให้เห็นว่าไพริดีนและพอลิเมอร์ที่ได้จากไพริดีนสามารถสร้างสายโซ่โพลีอะซาอะเซทิลีนที่นำไฟฟ้าได้ภายใต้การฉายรังสีอัลตราไวโอเลตแบบง่ายๆ และการสังเกตทั่วไปของ "การเปลี่ยนเป็นสีน้ำตาล" ของตัวอย่างไพริดีนที่เก่าแล้วนั้น ส่วนหนึ่งเกิดจากการก่อตัวของสายโมเลกุล เจลแสดงให้เห็นการเปลี่ยนผ่านระหว่างการนำไฟฟ้าไอออนิกและการนำไฟฟ้าอิเล็กตรอนเมื่อฉายรังสี^{[ 10 ]}

ลวดโมเลกุลอนินทรีย์ประเภทหนึ่งประกอบด้วยหน่วยย่อยที่เกี่ยวข้องกับคลัสเตอร์เชฟเรลการสังเคราะห์ Mo ₆ S _9−x I _xดำเนินการในหลอด ควอตซ์ที่ปิดผนึกและสุญญากาศ ที่อุณหภูมิ 1343 K ใน Mo ₆ S _9−x I _xหน่วยซ้ำคือคลัสเตอร์ Mo ₆ S _9−x I _xซึ่งเชื่อมต่อกันด้วยสะพานซัลเฟอร์หรือไอโอดีนที่ยืดหยุ่นได้^{[ 11 ]}

โซ่ยังสามารถผลิตได้จากสารตั้งต้นโลหะอินทรีย์^{[ 12 ]}

เพื่อให้มีประโยชน์ในการเชื่อมต่อโมเลกุล โมเลกุลขนาดเล็ก (MWs) จำเป็นต้องประกอบตัวเองตามเส้นทางที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน และสร้างการสัมผัสทางไฟฟ้าที่เชื่อถือได้ระหว่างกัน เพื่อให้สามารถประกอบวงจรที่ซับซ้อนโดยใช้โมเลกุลเดี่ยวได้อย่างแม่นยำ ในอุดมคติแล้ว พวกมันควรเชื่อมต่อกับวัสดุที่หลากหลาย เช่น พื้นผิวโลหะทองคำ (สำหรับการเชื่อมต่อกับโลกภายนอก) โมเลกุลชีวภาพ (สำหรับนาโนเซนเซอร์ นาโนอิเล็กโทรด สวิตช์โมเลกุล) และที่สำคัญที่สุดคือ พวกมันต้องสามารถแตกแขนงได้ ตัวเชื่อมต่อควรมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวที่กำหนดไว้ล่วงหน้า นอกจากนี้ควรมีการเชื่อมต่อแบบโควาเลนต์เพื่อให้มั่นใจได้ถึงคุณสมบัติการขนส่งและการสัมผัสที่ทำซ้ำได้

โมเลกุลที่มีโครงสร้างคล้ายดีเอ็นเอมีการจดจำในระดับโมเลกุลที่เฉพาะเจาะจง และสามารถนำมาใช้ในการสร้างโครงสร้างระดับโมเลกุลได้ มีการสาธิตการสร้างรูปทรงที่ซับซ้อนได้แล้ว แต่โชคร้ายที่ดีเอ็นเอเคลือบโลหะซึ่งนำไฟฟ้าได้นั้นมีความหนาเกินไปที่จะเชื่อมต่อกับโมเลกุลแต่ละตัวได้ ส่วนดีเอ็นเอเคลือบที่บางกว่านั้นขาดการเชื่อมต่อทางอิเล็กทรอนิกส์และไม่เหมาะสมสำหรับการเชื่อมต่อส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ระดับโมเลกุล

คาร์บอนนาโนทิวบ์ (CNT) บางชนิดเป็นตัวนำไฟฟ้า และสามารถเชื่อมต่อปลายทั้งสองข้างได้โดยการติดกลุ่มเชื่อมต่อเข้าไป อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบัน การผลิต CNT ที่มีคุณสมบัติตามที่กำหนดไว้ล่วงหน้าเป็นไปไม่ได้ และปลายที่ถูกปรับแต่งแล้วมักจะไม่นำไฟฟ้า ซึ่งจำกัดประโยชน์ของมันในฐานะตัวเชื่อมต่อระดับโมเลกุล แม้ว่าจะสามารถบัดกรี CNT แต่ละเส้นได้ในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน แต่การสัมผัสไม่ใช่พันธะโควาเลนต์และไม่สามารถประกอบตัวเองได้

ได้มีการสาธิต เส้นทางที่เป็นไปได้สำหรับการสร้างวงจรการทำงานขนาดใหญ่ขึ้นโดยใช้ Mo ₆ S _9−x I _x MWs ทั้งผ่านทางอนุภาคนาโนทองคำเป็นตัวเชื่อม หรือโดยการเชื่อมต่อโดยตรงกับโมเลกุลที่มีหมู่ไทออล ทั้งสองแนวทางอาจนำไปสู่การใช้งานที่แตกต่างกัน การใช้อนุภาคนาโนทองคำเปิดโอกาสให้เกิดการแตกแขนงและการสร้างวงจรขนาดใหญ่ขึ้นได้

ลวดโมเลกุลสามารถรวมเข้ากับพอลิเมอร์ได้ซึ่งจะช่วยเพิ่มคุณสมบัติทางกลและ/หรือการนำไฟฟ้า การเพิ่มคุณสมบัติเหล่านี้ขึ้นอยู่กับการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอของลวดในพอลิเมอร์หลัก ลวด MoSI ได้ถูกสร้างขึ้นในวัสดุผสมดังกล่าว โดยอาศัยความสามารถในการละลายที่เหนือกว่าในพอลิเมอร์หลักเมื่อเทียบกับนาโนไวร์หรือนาโนทิวบ์อื่นๆ กลุ่มของลวดสามารถใช้เพื่อเพิ่มคุณสมบัติทางด้านแรงเสียดทานของพอลิเมอร์ โดยมีการประยุกต์ใช้ในแอคทูเอเตอร์และโพเทนชิโอมิเตอร์ เมื่อเร็วๆ นี้ได้มีการเสนอว่านาโนไวร์แบบบิดสามารถทำงานเป็นอุปกรณ์นาโนเชิงกลไฟฟ้า (หรือนาโนบาลานซ์แรงบิด ) เพื่อวัดแรงและแรงบิดในระดับนาโนด้วยความแม่นยำสูง^{[ 14 ]}

• เอกสารข้อมูลความปลอดภัยของโมลิบดีนัมซัลไฟด์ (MSDS)