Vibraciones moleculares para sintetizar polímeros conductores

Dos tipos de polímeros de bisanteno sintetizados con precisión atómica sobre una superficie de oro. CC-BY Nat. Commun. 11, 4567 (2020).

📅 05.10.2020

Investigadores de IMDEA Nanociencia estudian una novedosa estrategia para sintetizar polímeros de bajo bandgap –cuasimetálicos- sobre una superficie de oro aprovechando sus vibraciones moleculares. El trabajo combina la síntesis química con estudios de STM y AFM de las propiedades electrónicas de los polímeros de bisanteno, cuya síntesis no es factible a través de métodos convencionales.

Los polímeros conjugados son macromoléculas orgánicas que se caracterizan por una cadena troncal de enlaces dobles y simples alternados. Sus orbitales p superpuestos crean una nube de electrones π deslocalizados que pueden resultar en propiedades ópticas y electrónicas útiles e interesantes. El diseño de polímeros conjugados π emerge entonces para sintetizar nanomateriales que puedan ser aplicables en una plétora de dispositivos, por ejemplo en componentes hechos a medida para nanoelectrónica.

Los polímeros conjugados sintetizados por la química convencional (wet chemistry) presentan defectos que son incompatibles con los requisitos de la electrónica de precisión atómica. La topología de la red de electrones π es crucial, ya que determina la estructura electrónica base de tales materiales. Por lo tanto, es interesante diseñar protocolos que permitan producir polímeros conjugados de bajo bandgap, es decir, con una alta conductividad eléctrica. En esta situación, la química en superficie es un procedimiento prometedor que permite la ingeniería de dichas macromoléculas con control a escala atómica sobre la síntesis y la caracterización estructural, mediante microscopía de sonda de barrido (por siglas en inglés, STM).

Investigadores de la República Checa y España han unido sus esfuerzos para diseñar polímeros químicamente robustos y de bajo bandgap. La estrategia no convencional que proponen aprovecha la relación entre la conjugación π y modos de vibración molecular específicos con el fin de aumentar la frecuencia de intento de una reacción química. Esta estrategia introduce la importancia de los modos vibracionales en el diseño químico en superficie.

Los científicos diseñaron un polímero de un solo átomo de espesor sobre una superficie de oro. El polímero, basado en monómeros de bisanteno unidos por puentes de cumuleno (Figura, panel izquierdo), exhiben modos vibracionales específicos. En un segundo paso, tras un calentamiento del material, los modos vibracionales dirigen la reacción entre las fracciones adyacentes de bisanteno, lo que da lugar a un polímero con un largo puente de pentaleno (Figura, panel derecho). Éste producto presenta un bajo bandgap, lo que se traduce en una alta conductividad electrónica. La resonancia y las propiedades electrónicas del polímero se caracterizaron en detalle mediante microscopía de túnel de barrido (STM) y microscopía de fuerza atómica (nc- AFM), con el apoyo del estudio teórico (DFT) de las reacciones en la superficie.

“Nuestros resultados revelan la importancia de confeccionar a medida la forma resonante π-conjugada para conducir los modos vibracionales en superficies y activar mecanismos de reacción química que serían impensables de otro modo”, comenta el Prof. David Écija. “Este estudio indica que no solo el estado de transición, sino también los modos de vibración interna del reactivo pueden tener un papel importante en los mecanismos de una reacción química”, revela el Prof. Pavel Jelínek. “Nosotros concebimos nuestros resultados como una puerta al nuevo diseño de los tan demandados nanomateriales conjugados, mientras que constituyen una estrategia novedosa para incorporar fragmentos no-bencenoides en la ciencia de polímeros”, explica el Prof. Nazario Martín.

Esta publicación es el resultado de una investigación colaborativa entre científicos de IMDEA Nanociencia, la Universidad Complutense de Madrid, la Universidad Palacký Olomouc, la Academia Checa de Ciencias y la Universidad Autónoma de Madrid. Se ha desarrollado dentro del marco de los proyectos de ELECNANO (ERC) y QUIMTRONIC (Comunidad de Madrid). Está parcialmente financiado por el Programa Severo Ochoa de Centros de Excelencia en I+D otorgado a IMDEA Nanociencia.

ELECNANO es el proyecto de investigación de la beca ERC Consolidator otorgada a David Écija, que persigue el diseño de nanomateriales eléctricamente transformables basados en lantánidos.

Referencia:

B. de la Torre et al. Tailoring π-conjugation and vibrational modes to steer on-surface synthesis of pentalene-bridged ladder polymers. Nat. Commun. 11, 4567 (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-18371-2.

Contacto:

Prof. David Écija
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Prof. Nazario Martín
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Prof. Pavel Jelínek
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Fuente: IMDEA Nanociencia