Investigadores producen por primera vez polímeros a partir de carbenos de tipo ballbot
Los investigadores han producido polímeros móviles de cadena larga sobre superficies metálicas, y lo han hecho mediante moléculas tipo ballbot que se deslizan sobre la superficie
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 de sus propiedades -descubierta en la Universidad de Münster hace unos años- es la capacidad que tienen ciertos derivados de NHC, no sólo de anclarse a átomos metálicos individuales, sino también de extraer completamente un átomo individual de la superficie. Una vez unidos a estos adátomos, los NHC se deslizan libremente sobre la superficie, como un robot que se mueve sobre una esfera. Utilizando estas "moléculas ballbot" y en colaboración con investigadores chinos, los físicos y químicos de Münster han conseguido 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 de tipo ballbot abre nuevas posibilidades, por ejemplo el autoensamblaje en dominios altamente ordenados a partir de este tipo de moléculas, hasta un comportamiento cooperativo, tipo enjambre, por parte de los NHC para convertir de forma autónoma determinadas superficies metálicas en una estructura altamente ordenada diferente sin ninguna influencia externa como la luz o los electrones. "Además de la autoorganización, estos polímeros ballbot son muy prometedores para nuevas aplicaciones en nanoelectrónica, funcionalización de superficies y catálisis", afirma el profesor Harald Fuchs, catedrático del Instituto de Física de la Universidad de Münster y director científico del Centro de Nanotecnología (CeNTech) de Münster.
Los NHC pueden modificarse fácilmente en los grupos nitrógeno (N) del quíntuple cuerpo heterocíclico de las moléculas. Esto permite 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 paralela 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 adátomos en metales nobles y la movilidad que se deriva de ello. Este es un requisito previo para su unión y para la reacción con otros sistemas reactivos en la superficie.
"Un factor decisivo para 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, antiguo investigador postdoctoral en el grupo del profesor Harald Fuchs y ahora investigador principal (IP) y jefe de grupo en el Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología (NCNST) de China. Por un lado, los monómeros pueden desplazarse fácilmente por la superficie debido a su propiedad ballbot; por otro, el tiempo de contacto que tienen las partes de la reacción debe ser lo suficientemente largo para que ésta se produzca. Esto ocurre sobre todo gracias a la estructura molecular y a un ajuste adecuado de la temperatura durante el experimento.
El control de las reacciones químicas y la obtención de pruebas de los productos de reacción deseados en el campo de la química de precisión para superficies requieren experimentos preparatorios y analíticos altamente especializados que permitan observar las interacciones moleculares en las superficies y los pasos de reacción individuales a escala submolecular. Para ello, los investigadores del CeNTech, del NCNST y del Centro Nacional de Física de la Materia Condensada e Instituto de Física de Pekín 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 aportar pruebas de las estructuras 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 planteamientos de mecánica cuántica y campos de fuerza reactivos. De este modo se confirmaron los resultados experimentales y se cuantificaron las propiedades electrónicas y estructurales de los polímeros ballbot.
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Publicación original
Jindong Ren, Maximilian Koy, Helena Osthues, Bertram Schulze Lammers, Christian Gutheil, Marvin Nyenhuis, Qi Zheng, Yao Xiao, Li Huang, Arne Nalop, Qing Dai, Hong-Jun Gao, Harry Mönig , Nikos L. Doltsinis, Harald Fuchs, Frank Glorius (2023): On-surface synthesis of ballbot-type N-heterocyclic carbene polymers. Nature Chemistry
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