Durante muitos anos, a miniaturização esteve presente na eletrônica. Cada vez mais, diminuíram-se as dimensões dos aparelhos ao mesmo tempo em que se aumentou a capacidade de processamento. Entramos nas dimensões da microeletrônica, com o uso da Mecânica Quântica nos resistores e diodos, por exemplo, e a possibilidade de circuitos muito pequenos, os circuitos integrados fez com que fossem substituídas as válvulas (vidros com vácuo e eletrodos no interior), que eram de grandes dimensões, quando comparados aos circuitos integrados, esquentavam muito e eram de difícil manuseio. Os circuitos integrados exploram propriedades de semicondutores como Germânio e Óxido de Silício, para uso como resistores, capacitores, para isolamento, numa pequena superfície, realizando o processo de miniaturização. Este processo de miniaturização apresenta uma tendência aparente, observada por Gordon Moore, co-fundador da Intel, conhecida como Lei de Moore, que sugere que a cada 18 meses, o número de transistores num circuito integrado dobra. Aparentemente, essa Lei poderia perder valor com as limitações na miniaturização da microeletrônica. Nesse caso, a evolução na miniaturização se encontra na escala do nano. Nessa escala, encontram-se átomos, moléculas e macromoléculas. Por isso, conhecemos essa nova eletrônica como Eletrônica Molecular, ou, Moletrônica (ou ainda, Eletrônica Orgânica). E essa nova fase vai permitir o desenvolvimento de computadores e dispositivos eletrônicos mais potentes, talvez superando a previsão de Moore para o processamento.
Os dispositivos eletrônicos tradicionais enfrentam dificuldades no caminho em direção à miniaturização. Com a diminuição das dimensões dos dispositivos, o número de átomos para a dopagem diminui tanto que se este número se torna algo da ordem de alguns átomos e a distribuição estatística dos átomos traz variações bruscas de voltagens entre diferentes regiões do dispositivo. Também são enfrentados problemas com efeitos quânticos (Efeito Avalanche ou Avalanche Breakdown, Tunelamento, entre outros e com a dissipação de calor. Um caminho para vencer essas limitações é começar a usar a chamada tecnologia bottom-up, do pequeno para o grande, usando moléculas como dispositivos eletrônicos. As moléculas usadas na Eletrônica Molecular têm dimensões menores que o limite da Eletrônica Tradicional.
Como fazer eletrônica com moléculas? A eletrônica se baseia em portais (ou portas) lógicos que fazem uma tarefa ou outra, ou uma e outra, entre outras. Estas portas se baseiam na Álgebra de Boole, usando respostas do tipo 0 ou 1, as chaves (como um interruptor, liga ou desliga). A partir de uma entrada, com uma série de 0/1, há uma saída ou resposta. Para isso, é preciso de algum argumento da “realidade” para executar a lógica. No caso da Microeletrônica, o 1 pode ser a passagem de corrente ou voltagem e o 0, a não-passagem. No caso, são usados Resistores, Diodos, Transistores. Na Eletrônica Molecular, os elementos responsáveis pelo 0 ou 1 são moléculas. O sinal pode ser a emissão de um fóton, uma isomerização, uma mudança na resistividade. Foram sintetizadas moléculas com função específica de um portal lógico. Em,Alberto Credi, Vincenzo Balzani, Steven J. Langford, J. Fraser Stoddart - Logic Operations at the Molecular Level. An XOR Gate Based on a Molecular Machine - J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 2679-2681 foi montado um portal molecular do tipo XOR (um “ou exclusivo”) com uma molécula de um pseudorotaxano, onde o sinal de entrada é feito com reações químicas e a resposta é a presença ou não de fluorescência.
frame|centro|Esquema de portais lógicos. A adição de um reagente X ou Y altera a saída, por exemplo, presença ou ausência de fluorescência. Adaptado de J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 2679-2681
Analisando o esquema acima, podemos comparar as reações com os portais lógicos. No primeiro caso, AND, a adição de X (X=1) sem adição posterior de Y (Y=0) leva a um estado 0, isto é, 1*0=0, ou seja, numa dupla condicional, faça algo se acontecer A E B, se pelo menos um dos estados for NÃO (0), a condicional é NÃO; para que o evento aconteça, precisamos, simultaneamente, que A e B aconteçam, e no portal molecular, isso significa a adição de X e Y, não importando a ordem. Quando adicionamos X e Y, a saída é um 1.
Os chamados nanofios também podem desempenhar papéis interessantes na Eletrônica Molecular. Nanofios são estruturas unidimensionais: cristais de grande relação comprimento/diâmetro de maneira que seu diâmetro seja aproximadamente até 200 nm. Sua estabilidade térmica diminui com a diminuição do raio. Podem ser usados como interruptores optoeletrônicos, por exemplo, um nano fio de ZnO é isolante na ausência de luz. Porém, com a exposição à luz ultravioleta (), a resistividade diminui de 4 a 6 ordens de grandeza, podendo ser usado como um sensor liga/desliga com base no par condutor/isolante.Semiconductor Nanowires: Functional Building Blocks for Nanotechnology – Haoquan Yan and Peidong Yang – Em The Chemistry of Nanostructured Materials – Editor: Peidong Yong – Publicado por: World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. Também podem ser usados com a função dos fios tradicionais, na condução de corrente. Outras possibilidades também são exploradas para o uso de moléculas com a função de elementos da eletrônica, como Nanotubos de Carbono com função de Transistores de Efeito de Campo (FET), Diodos e Inversores (portal NOT).Yu Huang,Xiangfeng Duan,Yi Cui, Lincoln J. Lauhon, Kyoung-Ha Kim, Charles M. Lieber - Logic Gates and Computation from Assembled Nanowire Building Blocks - Science 294, 1313 (2001) Os quantum dots ou pontos quânticos, também são importantes e têm relação com os nanofios. Em relação à dimensão, os pontos quânticos são nanofios limitados nas três direções. Pontos quânticos também são conhecidos por Nanocristais, por suas dimensões reduzidas, menores que o comprimento de onda associado a um elétron desse cristal, levando a efeitos quânticos no confinamento do elétron às dimensões do cristal. Seus níveis de energia são análogos aos níveis discretos de um átomo e por isso, são conhecidos como Átomos Artificiais e não apresentam bandas, como os sólidos, em geral.
thumb|centro|400px|Esquema para explicar as Bandas num sólido. Nas pontas, os átomos individuais e seus níveis discretos e no centro, as bandas formadas a partir da interação de orbitais de vários átomos iguais num sólido
Os pontos quânticos foram usados em detectores e em lasers, por sua emissão característica em um comprimento de onda, dependente do tamanho da partícula.
thumb|direita|Esquema de um Transistor de um único elétron
Foram também usados em Transistores de Efeito Quântico de apenas um elétron, construídos usando o efeito da Coulomb Blockade.
A construção de Transistores com moléculas é um dos grandes objetivos dos grupos de pesquisa, pois, a miniaturização ao nível da dimensão de moléculas e até átomos vai permitir aumento significativo no número de transistores por chip, levando a maior poder de processamento. Os Transistores são responsáveis pelo chaveamento e pela amplificação de sinais. A origem da palavra Transistor vem de Transfer Resistor (Resistor de Transferência). Os transistores tradicionais são feitos de Silício, material semicondutor, que pode ser dopado, isto é, receber impurezas de outro semicondutor podendo virar um semicondutor de tipo p ou do tipo n. O transistor é dividido em Base (ou Porta), Emissor (ou Fonte) e Coletor (ou Dreno). A fonte vai emitir os elétrons e o dreno, recebê-los, se houver uma diferença de potencial na porta; senão, não há passagem de corrente.
frame|centro|Esquema de Transistor
Um tipo especial de Transistor é são os FET (Transistores de Efeito de Campo), em particular o MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Uma solução para diminuir ainda mais as dimensões dos Transistores é usar os transistores com moléculas. O uso de Filmes Finos de moléculas orgânicas semicondutoras tem sido uma solução interessante. Há também o uso de um Nanotubo de Carbono, C60 Xiao-Hong Zhang, Benoit Domercq, Bernard Kippelen – High-performance and electrically stable C60 organic field-effect transistors – Applied Physics Letters – Vol.: 91, 092114 e tióis e derivados,Jan Hendrik Schön, Hong Meng & Zhenan Bao - Self-assembledmonolayer organic field-effect transistors - NATURE - VOL 413 - 18 OCTOBER 2001 cujo interesse reside no fato de terem grande afinidade por superfícies de Ouro.
As memórias dos computadores também podem ter suas versões supramoleculares. As memórias são usadas para controle de tarefas de programas de computador e são conhecidas como voláteis por serem apenas de armazenamento temporário para a execução dos programas. Os programas dos computadores usam o binário, 1 ou 0, que, na memória, é a presença ou ausência de corrente num contato, e cada 1 ou 0 armazenado é um bit. No mundo das moléculas, as memórias podem ter moléculas que mudam de alguma maneira com algum estímulo. Em,Jonathan E. Green, Jang Wook Choi, Akram Boukai, Yuri Bunimovich, Ezekiel Johnston-Halperin, Erica DeIonno, Yi Luo, Bonnie A. Sheriff, Ke Xu, Young Shik Shin, Hsian-Rong Tseng, J. Fraser Stoddart, James R. Heath – A 160-kilobit molecular electronic memory patterned at 1011 bits per square centimetre – Nature – 25 Jan 2007 – Vol.: Vol. 445, 414 – 417, referência de http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010110070207 um rotaxano foi usado como um bit: quando aplicada uma voltagem, um dos ciclos se deslocava para fazer interação intermolecular com outra parte do “eixo”.
thumb|direita|Em azul, o macrociclo. A mudança de voltagem fez o macrociclo mudar a posição. Retirado de
O uso de biomoléculas é outro caminho que vem sendo seguido. Moléculas biologicamente ativas podem ser usadas em dispositivos eletrônicos como portais lógicos,Wataru Yoshida and Yohei Yokobayashi – Photonic boolean logic gates based on DNA aptamers – Chem. Commun., 2007, 195–197 – DOI: 10.1039/b613201d além de serem auxiliares no diagnóstico de doenças e na manipulação de outras biomoléculas, sendo usadas, por exemplo, na ponta de um Microscópio de força atômica,MFA, interagindo fortemente com outras biomoléculas. A construção de “biochips” traz avanço na miniaturização dos dispositivos e na análise de amostras biológicas, sendo um ponto de encontro da Bioquímica e da Eletrônica.Héctor A. Becerril, Adam T. Woolley Small – DNA Shadow Nanolithography – 20 Aug 2007 – Vol.: 3, Issue 9 , Pages 1534 – 1538 – DOI: 10.1002/smll.200700240 , referência de www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010165070914
Bases da Eletrônica Molecular Para a construção de dispositivos moleculares, são necessários alguns conceitos chave. Alguns conceitos como Interações Moleculares, Reconhecimento Molecular, Isômeros Topológicos entre outros. Acima, por exemplo, foi citada uma espécie de rotaxano. Os Rotaxanos, assim como os Catenanos, são grupos de moléculas importantes para o desenvolvimento da Eletrônica Molecular, compostas por macrociclos (grandes anéis compostos por vários átomos). Os Rotaxanos são macromoléculas compostas por um macrociclo em torno de um eixo incapaz de passar por “rolhas” moleculares nas pontas do eixo. A resistência oferecida pela molécula de rotaxano à passagem da corrente depende da posição do anel ao longo do eixo da molécula, que pode ser alterada aplicando-se uma tensão à molécula. Os Catenanos, por sua vez, são formados por dois ou mais macrociclos encadeados entre si.
thumb|direita|Esquema de Rotaxano thumb|direita|Esquema de Catenano