Cuando las predicciones de los químicos teóricos se hacen realidad

Haciendo realidad los polímeros topológicos 2D

26.05.2020 - Alemania

Thomas Heine, Profesor de Química Teórica en la Universidad Técnica de Dresde, junto con su equipo, predijo por primera vez un polímero topológico 2D en 2019. Sólo un año después, un equipo internacional dirigido por investigadores italianos fue capaz de sintetizar estos materiales y probar experimentalmente sus propiedades topológicas. Para la revista Nature Materials, esta fue la ocasión de invitar a Thomas Heine a un artículo de News and Views. Bajo el título "Haciendo realidad los polímeros topológicos en 2D" el Prof. Heine describe cómo su teoría se hizo realidad.

Los materiales ultrafinos son extremadamente interesantes como bloques de construcción para la próxima generación de dispositivos nanoelectrónicos, ya que es mucho más fácil hacer circuitos y otras estructuras complejas dando forma a las capas 2D en las formas deseadas. Thomas Heine, profesor de química teórica en la Universidad Técnica de Dresde, está trabajando en la predicción de estos materiales innovadores. Sus propiedades pueden ser calculadas con precisión usando métodos modernos de química computacional, incluso antes de que se hayan realizado en el laboratorio.

Esta investigación es particularmente interesante para los polímeros 2D: su tipo de red se define por la forma de sus bloques de construcción, y éstos pueden seleccionarse entre la casi infinita variedad de moléculas orgánicas planas que coinciden con la estructura requerida. Un ejemplo particularmente interesante es la red kagome, que consiste en las esquinas y bordes de un mosaico trihexagonal. En 2019, Yu Jing y Thomas Heine propusieron sintetizar tales polímeros 2D a partir de moléculas orgánicas triangulares (los llamados triangulenes). Estos materiales tienen una estructura combinada de panal y kagoma (ver figura). Sus cálculos sugieren que estas estructuras 2D combinan las propiedades del grafeno (portadores de carga casi sin masa) con las de los superconductores (bandas electrónicas planas).

Ahora el científico de materiales italiano Giorgio Contini y su equipo internacional han logrado sintetizar este polímero kagome en forma de panal de abeja en 2D, como se publicó en Nature Materials a principios de esta semana. Un innovador método de síntesis de superficie permitió producir cristales de tan alta calidad que eran adecuados para la caracterización experimental de las propiedades electrónicas. De hecho, se revelaron las fascinantes propiedades topológicas predichas. Así, por primera vez, se pudo probar experimentalmente que los materiales topológicos se pueden realizar a través de polímeros 2D.

La investigación sobre los polímeros 2D se sitúa así sobre una base sólida. La red kagome descrita aquí es sólo un ejemplo entre cientos de posibilidades de conectar moléculas planas a redes regulares. Para algunas de estas variantes, ya se han predicho teóricamente otras propiedades electrónicas interesantes. Esto abre numerosas posibilidades nuevas para que los teóricos y los experimentadores de la química y la física desarrollen materiales con propiedades previamente desconocidas.

El Prof. Heine explica: "Estos resultados muestran que los polímeros 2D pueden ser materiales con propiedades electrónicas útiles, aunque sus estructuras son mucho más amplias que las de los materiales electrónicos normales, con distancias de más de un nanómetro entre los puntos de la red. El prerrequisito es que los materiales sean de excelente calidad estructural. Esto incluye una alta cristalinidad y una muy baja densidad de defectos. Otra contribución importante de los colegas que rodean al Prof. Contini es que, aunque los polímeros 2D se produjeron sobre una superficie metálica, pueden desprenderse y transferirse a cualquier otro sustrato, como el óxido de silicio o la mica, y así incorporarse a los dispositivos electrónicos".

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