Blog

Aug 09, 2023

Los investigadores producen polímeros a partir de ballbot

La síntesis química en superficie en condiciones extremadamente limpias permite la síntesis controlada de polímeros N-heterocíclicos tipo ballbot Imagen de la Universidad de Münster: Vista lateral de la estructura – optimizada

La síntesis química en la superficie en condiciones extremadamente limpias permite la síntesis controlada de polímeros tipo ballbot N-heterocíclicos

Universidad de Munster

Imagen: Vista lateral de la estructura (optimizada mediante la teoría funcional de la densidad de la mecánica cuántica) de una cadena de moléculas de tipo ballbot.ver más

Crédito: Universidad de Münster – Grupo Doltsinis

Los carbenos N-heterocíclicos (NHC) son pequeñas moléculas anulares reactivas que se unen bien a las 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 hace unos años en la Universidad de Münster en Alemania, 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. Al unirse con los llamados adatomes, los NHC se deslizan libremente sobre la superficie, como 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, es decir, 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. Investigador (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 de los robots. Los resultados experimentales se complementaron con elaboradas simulaciones por computadora 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 confirmaron los resultados experimentales y cuantificaron las propiedades electrónicas y estructurales de los polímeros del ballbot.

El contexto: la química de precisión sobre superficies se ha convertido ahora en un área separada de la química. A diferencia de la química tradicional en tubo de ensayo o en fase gaseosa, esta rama particular de la química requiere condiciones de vacío ultraalto y, a menudo, temperaturas tan bajas como -268 grados Celsius para evitar cualquier contaminación involuntaria, 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 que se utilizaron 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.

La Fundación Alemana de Investigación financió el trabajo (SFB 858, SFB 1459, FU 299/18-1, MO 2345/4-1, 519972808). El apoyo adicional para los miembros del equipo de investigación provino de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (U2032206, 61888102), el Programa de Investigación de Prioridad Estratégica de la Academia China de Ciencias (XDB36000000) y el Programa Nacional Clave de Investigación y Desarrollo de China (2019YFA0308500, 2018YFA0305800). ).

Química de la naturaleza

10.1038/s41557-023-01310-1

Estudio experimental

No aplica

Síntesis en superficie de polímeros de carbeno N-heterocíclicos tipo ballbot

28-ago-2023

Descargo de responsabilidad: AAAS y EurekAlert! ¡No somos responsables de la exactitud de los comunicados de prensa publicados en EurekAlert! por instituciones contribuyentes o para el uso de cualquier información a través del sistema EurekAlert.