Conectados por la naturaleza: moléculas de precisión para la electrónica del mañana
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Investigadores del Empa han conseguido por primera vez unir con precisión atómica moléculas orgánicas de porfirina con centros metálicos funcionales a una nanorbanda de grafeno. El sistema híbrido resultante se acopla magnética y electrónicamente, allanando el camino para una amplia gama de aplicaciones en electrónica molecular, desde la detección química a las tecnologías cuánticas.
Una nanocinta de grafeno conecta moléculas de porfirina -cada una con un centro metálico (rojo)- como una cadena molecular de luces de Navidad. Los átomos metálicos están sujetos por cuatro átomos de nitrógeno (azul) en el núcleo de porfirina.
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Máxima precisión: Con su método, los investigadores del Empa pueden sintetizar la estructura molecular con precisión atómica, como confirman las imágenes de microscopía (arriba: microscopía de efecto túnel de barrido; abajo: microscopía de fuerza atómica sin contacto).
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La química orgánica, la química de los compuestos de carbono, es la base de toda la vida en la Tierra. Sin embargo, los metales también desempeñan un papel clave en muchos procesos bioquímicos. Cuando se trata de "casar" átomos metálicos grandes y pesados con compuestos orgánicos ligeros, la naturaleza suele recurrir a un grupo específico de estructuras químicas: las porfirinas. Estas moléculas forman un anillo orgánico en cuyo centro pueden "anclarse" iones metálicos individuales como el hierro, el cobalto o el magnesio.
La estructura de la porfirina es la base de la hemoglobina de la sangre humana, de la clorofila fotosintética de las plantas y de numerosas enzimas. Dependiendo del metal capturado por la porfirina, los compuestos resultantes pueden presentar una amplia gama de propiedades químicas y físicas. Los químicos y científicos de materiales llevan mucho tiempo intentando explotar esta flexibilidad y funcionalidad de las porfirinas, incluso para aplicaciones en electrónica molecular.
Sin embargo, para que los componentes electrónicos -incluso los moleculares- funcionen, deben estar conectados entre sí. Conectar moléculas individuales no es tarea fácil. Pero esto es precisamente lo que han conseguido los investigadores del laboratorio nanotech@surfaces del Empa, en colaboración con químicos sintéticos del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros. Han conseguido unir porfirinas a un nanoribbón de grafeno de una manera perfectamente precisa y bien definida. El estudio correspondiente acaba de publicarse en la revista Nature Chemistry.
Una "columna vertebral" de carbono
Los nanoribbones de grafeno son tiras largas y estrechas del material de carbono bidimensional grafeno. Dependiendo de su anchura y de la forma de sus bordes, presentan una amplia gama de propiedades físicas, entre ellas diferentes conductividades, magnetismos y comportamientos cuánticos. Los investigadores del Empa utilizaron como hilo molecular una cinta de apenas un nanómetro de ancho con los llamados bordes en zigzag. A lo largo de estos bordes, las moléculas de porfirina se acoplan a intervalos perfectamente regulares, alternando entre los lados izquierdo y derecho de la cinta.
"Nuestra cinta de grafeno exhibe un tipo especial de magnetismo gracias a su borde en zigzag", explica Feifei Xiang, autora principal del estudio. Los átomos metálicos de las moléculas de porfirina, en cambio, son magnéticos de una forma más "convencional". La diferencia radica en los electrones que proporcionan el espín responsable del magnetismo. Mientras que los electrones portadores de espín en el centro del metal permanecen localizados en el átomo metálico, los electrones correspondientes en la cinta de grafeno se "dispersan" a lo largo de ambos bordes. "Gracias al acoplamiento de las porfirinas a la espina dorsal del grafeno, hemos conseguido combinar y conectar ambos tipos de magnetismo en un único sistema", explica el coautor Oliver Groening, subdirector del laboratorio nanotech@surfaces.
Este acoplamiento abre muchas puertas en el campo de la electrónica molecular". La cinta de grafeno sirve de conductor eléctrico y magnético, una especie de "cable" a nanoescala entre las moléculas de porfirina. El magnetismo correlacionado de estas nanoribbons de grafeno se considera especialmente prometedor para aplicaciones de tecnología cuántica, en las que el espín subyacente al magnetismo actúa como portador de información. "Nuestra cinta de grafeno con porfirinas podría funcionar como una serie de qubits interconectados", afirma Roman Fasel, director del laboratorio "nanotech@surfaces".
Detectar, emitir, conducir
Pero eso no es todo: Las porfirinas también son pigmentos naturales, como las moléculas de clorofila y hemoglobina. Para los científicos de materiales, esto significa que "los centros de porfirina son ópticamente activos", dice Groening. Y la óptica es una forma importante de interactuar con las propiedades electrónicas y magnéticas de estas cadenas moleculares. Las porfirinas pueden emitir luz cuya longitud de onda cambia con el estado magnético de todo el sistema molecular: una especie de cadena molecular de luces, en la que la información podría leerse mediante sutiles cambios de color.
El proceso inverso también es posible: Las porfirinas podrían excitarse con la luz, influyendo así en la conductividad y el magnetismo de la espina dorsal del grafeno. Estos polifacéticos moleculares podrían servir incluso como sensores químicos. Las moléculas de porfirina pueden funcionalizarse fácilmente, es decir, modificarse químicamente añadiendo grupos químicos específicos. Si uno de estos grupos añadidos se une a una sustancia química diana, esta interacción también afecta a la conductividad de la cinta de grafeno.
"Nuestro sistema es una caja de herramientas que puede utilizarse para ajustar distintas propiedades", afirma Fasel. A continuación, los investigadores tienen previsto explorar distintos centros metálicos dentro de las porfirinas e investigar sus efectos. También pretenden ampliar la espina dorsal de la cinta de grafeno, dotando a su sistema molecular de una base electrónica aún más versátil. La síntesis de estas "luces de cuerda" es cualquier cosa menos trivial. "Nuestros socios del Instituto Max Planck lograron producir moléculas precursoras formadas por un núcleo de porfirina complementado por unos cuantos anillos de carbono colocados exactamente en las posiciones adecuadas", explica Groening. A continuación, estas moléculas complejas se "hornean" a varios cientos de grados Celsius en vacío ultraalto para formar las largas cadenas. Una superficie de oro sirve de "bandeja de cocción". Sólo así se consiguen estas estructuras nanométricas con precisión atómica. Con el apoyo de la Fundación Werner Siemens, el equipo de Empa trabaja ahora para que estos nuevos materiales de diseño puedan utilizarse en futuras tecnologías cuánticas.
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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