Los investigadores producen polímeros a partir de ballbot

28 de agosto de 2023

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por la Universidad de Münster

Los carbenos N-heterocíclicos (NHC) son pequeñas moléculas anulares reactivas que se unen bien a superficies metálicas y que en los últimos años han despertado un gran interés en el campo de la modificación química estable de superficies metálicas. Una propiedad, descubierta en la Universidad de Münster (Alemania) hace unos años, es la capacidad que tienen ciertos derivados del NHC, no sólo de anclarse a átomos metálicos individuales, sino también de extraer completamente un átomo individual de la superficie. Una vez unidos a los llamados adatomes, los NHC se deslizan libremente sobre la superficie, como una bola robot, es decir, un robot que se mueve sobre una esfera.

Utilizando estas "moléculas de robot" y en colaboración con investigadores chinos, los físicos y químicos de Münster lograron por primera vez que los NHC halogenados produzcan polímeros móviles de cadena larga (cadenas de moléculas) sobre superficies metálicas. Los detalles del trabajo se han publicado en la revista Nature Chemistry.

La movilidad de los NHC del tipo ballbot abre nuevas posibilidades, desde el autoensamblaje de este tipo de moléculas en dominios altamente ordenados hasta el comportamiento cooperativo de tipo enjambre por parte de los NHC al convertir de forma autónoma determinadas superficies metálicas en una Estructura diferente altamente ordenada sin ninguna influencia externa como la luz o los electrones.

"Más allá de la autoorganización, estos polímeros ballbot son muy prometedores para nuevas aplicaciones en nanoelectrónica, funcionalización de superficies y catálisis", afirma el profesor Harald Fuchs, profesor titular del Instituto de Física de la Universidad de Münster y director científico del Centro de Nanotecnología ( CeNTech) en Münster.

Los NHC se pueden modificar fácilmente en los grupos nitrógeno (N) del cuerpo quíntuple heterocíclico de las moléculas. De este modo es posible no sólo influir en la interacción electrónica entre los carbenos y los átomos de una superficie metálica (por ejemplo, el oro), sino también controlar la alineación de los carbenos vertical o paralelamente a una superficie.

Una característica especial de los NHC halogenados utilizados, desarrollados en el Instituto de Química Orgánica de la Universidad de Münster, es su capacidad para formar espontáneamente átomos en metales nobles y la movilidad resultante. Este es un requisito previo para su unión y para la reacción con otros sistemas reactivos en la superficie.

"Un factor decisivo en el éxito de los experimentos fue el equilibrio entre la reactividad química de las unidades estructurales monoméricas y su movilidad", afirma el autor principal, el profesor Jindong Ren, ex investigador postdoctoral en el grupo del profesor Harald Fuchs y ahora investigador principal. (PI) y líder de grupo en el Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología (NCNST) de China.

Por un lado, los monómeros pueden moverse fácilmente sobre la superficie debido a su propiedad de bola; por otro lado, el tiempo de contacto que tienen las partes en la reacción debe ser suficiente para que se produzca la reacción. Esto se debe sobre todo a la estructura molecular y a un ajuste adecuado de la temperatura durante el experimento.

Controlar las reacciones químicas y proporcionar evidencia de los productos de reacción deseados en el campo de la química de precisión para superficies requiere experimentos preparativos y analíticos altamente especializados que permitan observar interacciones moleculares en superficies y pasos de reacción individuales a escala submolecular.

Para ello, los investigadores del CeNTech, el NCNST y el Centro Nacional de Física de la Materia Condensada y el Instituto de Física de Beijing emplearon métodos de microscopía de sonda de barrido (STM y nc-AFM), así como espectroscopia de fotoemisión, para aclarar los enlaces químicos que tienen lugar y para proporcionar evidencia de las estructuras del ballbot.

Los resultados experimentales se complementaron con elaboradas simulaciones por ordenador en el Instituto de Teoría del Estado Sólido de la Universidad de Münster, basadas en enfoques de mecánica cuántica y campos de fuerza reactivos. De esta manera, el equipo confirmó los resultados experimentales y cuantificó las propiedades electrónicas y estructurales de los polímeros del ballbot.

La química de precisión en superficies se ha convertido ahora en un área separada de la química. A diferencia de la química tradicional en un tubo de ensayo o en fase gaseosa, esta rama particular de la química requiere condiciones de vacío ultra alto y, a menudo, temperaturas tan bajas como -268 grados Celsius para evitar cualquier contaminación no intencional, así como para permitir la observación de pasos químicos (intermedios) a nivel molecular.

Las superficies sólidas, generalmente cristalinas, sirven como plataforma (sustrato) para la reacción y también pueden soportar la reacción catalíticamente. Las superficies nanoestructuradas, como las utilizadas en el trabajo descrito anteriormente, permiten controlar no sólo la alineación, sino también una disposición geométrica selectiva de los productos de reacción o de los polímeros resultantes.

Más información: Jindong Ren et al, Síntesis en superficie de polímeros de carbeno N-heterocíclicos tipo ballbot, Nature Chemistry (2023). DOI: 10.1038/s41557-023-01310-1

Información de la revista:Química de la naturaleza

Proporcionado por la Universidad de Münster