18.11.2021 - Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

El sueño roto de Kekulé: las serpientes se convierten en escaleras

Investigadores crean nuevas moléculas que sirven de tirolinas para la energía

Investigadores de las Universidades de Bonn y Ratisbona mueven paquetes de energía a lo largo de una escalera molecular formada por cientos de anillos de benceno. Este tipo de polímeros puede servir para diseñar nuevas pantallas basadas en diodos orgánicos emisores de luz o para células solares. El extraordinario material se describe ahora en la revista Nature Communications.

En el siglo XIX, la comunidad científica se preguntaba cómo estaban dispuestos los átomos del misterioso compuesto benceno. Esta molécula "aromática" pronto demostró tener una estructura sorprendentemente sencilla: Estaba formada por seis átomos de carbono y seis de hidrógeno. Pero, ¿cómo podían estos doce átomos disponerse en el espacio para formar un objeto químicamente estable? El químico Friedrich August Kekulé, más tarde profesor de la Universidad de Bonn, aportó luz a la oscuridad. Cuenta la leyenda que en el invierno de 1861 estaba sentado junto a la chimenea. De repente, Kekulé tuvo una visión de una serpiente devorando su propia cola. Se dio cuenta de que los átomos de carbono del benceno debían estar organizados en un círculo, similar a una pequeña rueda de carro.

"Este sueño acabó sentando las bases para la expansión masiva de la industria química hacia finales del siglo XIX", afirma el profesor Sigurd Höger, del Instituto Kekulé de Química Orgánica y Bioquímica de la Universidad de Bonn, que es miembro del Área de Investigación Transdisciplinar "Bloques de Construcción de la Materia e Interacciones Fundamentales" de la Universidad de Bonn. El benceno es un importante bloque de construcción para pinturas, productos farmacéuticos y plásticos, por ejemplo.

Cientos de anillos de benceno en forma de escalera

Aunque la rueda se considera el invento más antiguo de la humanidad, la escalera es bastante más antigua. Los sucesores de Kekulé en la Universidad de Bonn llevaban tiempo soñando con moléculas en forma de escalera, formadas por cientos de anillos de benceno. Los investigadores del Instituto Kekulé y del Centro Mulliken de Química Teórica de la Universidad de Bonn, junto con un equipo dirigido por el profesor John Lupton del Instituto de Física Experimental y Aplicada de la Universidad de Ratisbona, han construido ahora una escalera molecular de este tipo. Se trata de una molécula con dos carriles de los llamados "polímeros conjugados", en los que se alternan enlaces dobles y simples entre los átomos de carbono. Constituyen los raíles a los que uno se agarra cuando sube por una escalera normal.

Los investigadores diseñaron primero un compuesto precursor que contenía una sola cadena polimérica y grupos polimerizables unidos: una "serpiente" flexible. Para una parte del material, el segundo carril de la escalera se formó en un paso posterior mediante una reacción de cremallera, de forma parecida a cuando se cierra un anorak. De este modo, además del polímero con un solo raíl conjugado, el equipo obtuvo un polímero con dos raíles conjugados: la "escalera" rígida. Ambos polímeros tenían la misma longitud y ahora podían compararse entre sí: ¿Cómo afectaría a las propiedades del material el hecho de convertir una serpiente en una escalera?

Los investigadores examinaron la estructura con un microscopio de barrido en túnel. La diminuta escalera molecular tiene un nanómetro (la millonésima parte de un milímetro) de altura, dos nanómetros de ancho y cien nanómetros de largo. Los químicos también confirmaron la forma y la extraordinaria rigidez de las escaleras -en comparación con las serpientes- mediante extensas simulaciones por ordenador utilizando una novedosa teoría que predice los movimientos individuales de todos los átomos dentro de la molécula.

Un bloque de construcción potencial para la electrónica

"La estructura en escalera se mantiene no sólo cuando las moléculas se colocan en una superficie, sino también cuando se disuelven en un líquido", afirma el profesor Lupton, de la Universidad de Ratisbona. Esta característica, añade, permite que la energía se mueva a lo largo de la molécula en el espacio, proporcionando un potencial bloque de construcción para redes ópticas, circuitos y sensores.

En principio, estos polímeros conducen la corriente eléctrica y pueden utilizarse para fabricar nuevas pantallas basadas en diodos orgánicos emisores de luz (OLED), o para convertir la luz en electricidad en una célula solar. Cuando la luz incide en una molécula de este tipo, la absorbe y produce un pequeño paquete de energía. Los investigadores pudieron observar cómo estos paquetes se movían a lo largo de la escalera prácticamente sin obstáculos, como si se tratara de una tirolina. Los polímeros abiertos en forma de serpiente, en cambio, no muestran este efecto. Sus propiedades son similares a las de las moléculas poliméricas convencionales: los paquetes se deslizan por las "serpientes" y pierden energía.

El sueño roto de Kekulé

"Aunque el viejo Kekulé 'vio' la molécula simple como un anillo, seguro que nunca soñó que algún día habría moléculas gigantes de tal rigidez que fueran incapaces de morderse la cola", dice Höger, resumiendo el resultado con un guiño.

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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