Una molécula como una nanobatería

Los científicos químicos descifran la compleja estructura electrónica de un compuesto metalorgánico trinuclear con la capacidad de donar y recibir múltiples electrones

10.12.2020 - Alemania

¿Cómo funcionan los catalizadores moleculares -moléculas que, como las enzimas, pueden desencadenar o acelerar ciertas reacciones químicas- y qué efectos tienen? Un equipo de químicos de la Universidad de Oldenburg se ha acercado a las respuestas utilizando un modelo de molécula que funciona como una nanobatería molecular. Consiste en varios centros de titanio unidos entre sí por una única capa de átomos de carbono y nitrógeno interconectados. El equipo de investigación de siete miembros publicó recientemente sus conclusiones, que combinan los resultados de tres proyectos de investigación de doctorado de varios años, en "ChemPhysChem". La revista de química física y física química presentó en su portada la investigación básica de Oldenburg.

Rüdiger Beckhaus / Universität Oldenburg

Para comprender mejor el funcionamiento de la molécula, los investigadores, encabezados por los primeros autores Dr. Aleksandra Markovic y Luca Gerhards y el autor correspondiente Prof. Dr. Gunther Wittstock, realizaron experimentos electroquímicos y espectroscópicos y utilizaron el cluster de computación de alto rendimiento de la universidad para sus cálculos. Wittstock considera que la publicación del documento es una "historia de éxito" tanto para los grupos de formación de investigadores en los que se llevaron a cabo los proyectos de doctorado como para el grupo de computación de la universidad. "Sin la infraestructura de computación de alto rendimiento, no habríamos podido realizar los extensos cálculos necesarios para descifrar el comportamiento de la molécula", dice Wittstock. "Esto subraya la importancia de tales clusters de computación para la investigación actual".

En el documento, los autores presentan los resultados de su análisis de una estructura molecular, cuyo prototipo fue el resultado de una reacción química inesperada que se comunicó por primera vez en el Departamento de Química de la Universidad de Oldenburg en 2006. Se trata de una estructura molecular sumamente compleja en la que tres centros de titanio (comúnmente denominados en las clases de la escuela secundaria como iones de titanio) están conectados entre sí por un ligando puente formado por carbono y nitrógeno. Se espera que este compuesto sea capaz de aceptar y liberar varios electrones mediante el intercambio de electrones entre los centros metálicos, entre otras razones.

La comprensión adecuada de estos procesos es de particular interés no sólo para la investigación básica, sino también para desencadenar o acelerar importantes reacciones en las que se transfiere más de un electrón. Esas reacciones siguen siendo un gran desafío en los sistemas técnicos, para los que todavía no hay una solución satisfactoria. "Muchos esfuerzos se centran actualmente en este objetivo", dice Wittstock. Un ejemplo es la tecnología de las pilas de combustible, que requiere la transferencia simultánea de cuatro electrones a una molécula de oxígeno para lograr un flujo de electrones de hidrógeno a oxígeno, explica. "Estas reacciones multielectrónicas también tienen un gran potencial para ahorrar materiales o energía en la producción química".

El compuesto molecular modelo que consiste en el ligando puente y los centros de titanio fue diseñado específicamente para ayudar a los científicos a obtener una comprensión detallada de cómo los compuestos con varios centros de metal son capaces de aceptar y liberar electrones. Los científicos excitaron la molécula con luz, a la que las moléculas respondieron de forma diferente dependiendo del número de electrones aceptados y liberados. Lamentablemente, la molécula fabricada en 2006 demostró ser poco soluble en la mayoría de los disolventes y, por lo tanto, difícil de estudiar. Utilizando la síntesis química, la Dra. Pia Sander, coautora del trabajo, añadió motivos moleculares similares a hélices al compuesto para mejorar su solubilidad. Esto proporcionó la base para los experimentos de Markovic, que revelaron que el compuesto modelo podía aceptar un total de tres electrones o liberar seis electrones - una capacidad inusualmente alta para una sola molécula. En cada una de estas reacciones, no sólo cambia el color visible de la molécula, sino la absorción de la luz en los rangos espectrales que son invisibles para el ojo humano. Sin embargo, inicialmente, los cambios precisos en la molécula con diferentes números de electrones no podían determinarse sobre la base de esos rangos espectrales.

Aquí es donde Luca Gerhards y el grupo de computación de la universidad entraron en juego. Aunque las explicaciones comunes se basan en la premisa de que en cada transición excitada por la luz sólo cambia la energía de un solo electrón, el coautor Gerhards evitó estas suposiciones simplificadoras en sus ecuaciones químicas cuánticas. Esto hizo que los cálculos fueran aún más complejos y mantuvo ocupado al grupo de computación de alto rendimiento durante meses. Al final, el resultado fue una sorpresa para todos los involucrados: Varios electrones cambian sus niveles de energía simultáneamente cuando la luz golpea la molécula en estudio. Además, esta carga no se almacena en el titanio, como cabría esperar, sino principalmente en el ligando puente, el "enlace" entre los centros de titanio.

Como explica Wittstock, los centros metálicos proporcionan así un "marco" cargado positivamente para el almacenamiento de electrones, como en una "nanobatería". La molécula modelo -y por extensión toda una clase de compuestos similares- ha resultado ser un "mini segmento de un material de almacenamiento de energía". Aunque su pleno potencial no puede determinarse en esta etapa, Wittstock cree que esos "marcos" con motivos de almacenamiento de cargas moleculares podrían convertirse en un nuevo elemento de diseño en catalizadores moleculares complejos para reacciones multielectrónicas.

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Publicación original

Aleksandra Markovic, Luca Gerhards, Pia Sander, Carsten Dosche, Thorsten Klüner, Rüdiger Beckhaus, Gunther Wittstock; "Electronic Transitions in Different Redox States of Trinuclear 5,6,11,12,17,18‐Hexaazatrinaphthylene‐Bridged Titanium Complexes: Spectroelectrochemistry and Quantum Chemistry"; ChemPhysChem; 2020, 21, 2506-2514

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