01.04.2021 - Westfälische Wilhelms-Universität Münster (WWU)

Los investigadores unen por primera vez átomos de silicio en superficies

Por primera vez se produce un polímero de silicio

Un equipo formado por varios grupos de trabajo de los campos de la química y la física es ahora el primero que ha unido átomos de silicio en superficies. A partir de los polímeros de silicio, los investigadores esperan obtener propiedades materiales innovadoras y nuevos y prometedores candidatos para posibles aplicaciones.

Materiales como el arseniuro de galio son muy importantes para la producción de dispositivos electrónicos. Como su suministro es limitado o puede presentar riesgos para la salud y el medio ambiente, los especialistas buscan materiales alternativos. Los llamados polímeros conjugados son candidatos. Estas macromoléculas orgánicas tienen propiedades semiconductoras, es decir, pueden conducir la electricidad en determinadas condiciones. Una posible forma de producirlas en la forma bidimensional -es decir, extremadamente plana- deseada la presenta la química de superficies, un campo de investigación creado en 2007.

Desde entonces, se han desarrollado muchas reacciones y se han producido materiales interesantes para posibles aplicaciones. La mayoría de las reacciones se basan en la formación de enlaces carbono-carbono. Un equipo formado por varios grupos de trabajo de los departamentos de Química y Física de la Universidad de Münster ha utilizado ahora la formación de enlaces silicio-silicio para construir un polímero, una primicia en la química de superficies.

Anteriormente, un obstáculo había sido la unión de los átomos de silicio. Construir polímeros de este modo mediante la química sintética tradicional, es decir, en una solución, es complicado. El hecho de que ahora sean los primeros en haber conseguido producir un polímero de silicio es algo que los investigadores de Münster deben a las posibilidades que ofrece la química de superficies. El truco fue el siguiente: la unión de los átomos tiene lugar en una superficie metálica extremadamente lisa, sobre la que se depositan las moléculas mediante vapor. Así se obtienen capas de material muy finas. Si se sustituye el carbono habitual por silicio, se pueden obtener polímeros largos, incluso con condiciones de reacción suaves. A partir de los polímeros de silicio, los investigadores esperan obtener propiedades materiales innovadoras y nuevos y prometedores candidatos para posibles aplicaciones. Los resultados del estudio se han publicado en la revista "Nature Chemistry".

Metodología

Un equipo de químicos dirigido por el Prof. Armido Studer produjo moléculas formadas por grupos silílicos conectados mediante el llamado enlazador orgánico. Los físicos del equipo dirigido por el Prof. Harald Fuchs investigaron su reactividad en superficies metálicas (oro o cobre). Demostraron que la reacción de los enlaces silicio-hidrógeno dentro de los grupos sililo se producía ya a temperatura ambiente, mientras que un acoplamiento similar de los enlaces carbono-carbono requiere normalmente temperaturas superiores a los 300 grados Celsius. En el siguiente paso, los investigadores aclararon la estructura exacta de los enlaces formados: se eliminan dos átomos de hidrógeno de cada átomo de silicio para crear las estructuras de alto orden. Análisis más detallados mostraron además una unión de los átomos de silicio a la superficie del metal.

Como la estructura del polímero final no pudo aclararse completamente mediante la habitual microscopía de efecto túnel (STM), un equipo dirigido por el químico Johannes Neugebauer utilizó para ello métodos químicos computacionales y simuló las imágenes de STM de varios productos potenciales. Para facilitar aún más la caracterización del producto, un equipo dirigido por el físico Dr. Harry Mönig empleó un método específicamente destinado a estas cuestiones basado en la microscopía de fuerza atómica. Este método permitió no sólo representar la totalidad del producto, sino también localizar los átomos de hidrógeno con una resolución drásticamente mayor. El equipo de Johannes Neugebauer también consiguió desarrollar un modelo mecanístico y simular los pasos de reacción necesarios para formar el producto encontrado.

Contribuciones desde diferentes ángulos

"Las propiedades de los polímeros podrían examinarse en futuros estudios en relación con su conductividad eléctrica", afirma el químico Dr. Henning Klaasen. "También se podría variar el diseño molecular para adaptar las propiedades a una aplicación de los materiales como semiconductores orgánicos". Y Lacheng Liu, estudiante de doctorado en Física, añade: "Además, este método podría utilizarse para desarrollar una estrategia completamente nueva de cambios moleculares para la funcionalización de superficies y nanopartículas."

En el futuro, el equipo tiene previsto investigar con más detalle la química de superficie de los nuevos grupos funcionales que contienen silicio y también pretende introducir otros grupos funcionales. "Hemos demostrado que no sólo se puede utilizar el carbono para crear estructuras fascinantes. Las diversas aportaciones realizadas desde distintos ángulos -por químicos y físicos, por personas con un enfoque teórico, por otras con un enfoque práctico- exigieron un alto grado de creatividad. Esto nos permitió explorar un nuevo camino en las reacciones de formación de enlaces en la química de superficies", es como resume el trabajo realizado Melanie Wittler, estudiante de doctorado en Química.

Financiación

El trabajo recibió apoyo financiero de la Fundación Alemana de Investigación, incluso como parte de los Centros de Investigación Colaborativa SFB 858 y TRR 61, así como de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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