Cadenas moleculares con mordisco: gran avance en la investigación de polímeros
El proceso sin halógenos produce la síntesis de PPP más limpia de la historia
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Las cadenas más largas del polímero conductor poli(p-fenileno) (PPP) producidas hasta la fecha miden algo menos de un micrómetro (milésima de milímetro), casi un orden de magnitud más de lo que era posible hasta ahora. Un equipo de investigación de los campos de la química y la física dirigido por el Prof. Dr. Michael Gottfried, de la Universidad Philipps de Marburgo, ha demostrado así por primera vez que el PPP puede sintetizarse en superficies mediante una polimerización específica de apertura en anillo en forma de auténtico crecimiento en cadena.
El valor de longitud estadísticamente más frecuente es de unos 170 nanómetros, con un valor atípico de casi 1.000 nanómetros. Récord. El nuevo proceso, libre de halógenos, no requiere subproductos perturbadores y abre así un acceso especialmente limpio a cadenas de polímeros conjugados ultralargas. El equipo interdisciplinar de la Universidad de Marburgo, Giessen, Leipzig e investigadores chinos ha publicado los resultados en la revista "Nature Chemistry".
Crecimiento selectivo de cadenas
A diferencia de las anteriores reacciones de acoplamiento basadas en superficies, en las que muchos trozos cortos de molécula se unen por casualidad, aquí una cadena sigue creciendo en un extremo de forma controlada: moléculas anulares pretensadas se abren y se unen a una superficie de cobre en un vacío ultraalto por el extremo reactivo de la cadena. "Este mecanismo impide que se formen subproductos que, de otro modo, bloquearían la superficie para posteriores reacciones", informa el químico Michael Gottfried. Mediante microscopía de efecto túnel de barrido (STM) de alta resolución y microscopía de fuerza atómica sin contacto (nc-AFM) con una punta funcionalizada, los investigadores pudieron hacer visibles directamente los enlaces individuales. La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) y las mediciones NEXAFS aportaron pruebas adicionales de los cambios químicos durante la reacción. Simulaciones de teoría funcional de la densidad de la Universidad de Leipzig respaldaron la vía de reacción propuesta y explicaron las ventajas energéticas del crecimiento en cadena. Las cadenas ultralargas de PPP pueden calentarse a través de etapas intermedias específicas para producir nuevos nanoribbones con longitudes de hasta unos 40 nanómetros. "Posteriormente, convertimos dos cadenas en una nueva cinta de carbono, como un cierre de cremallera", explica Gottfried.
Posibles aplicaciones para componentes semiconductores moleculares
El trabajo es investigación básica en el mejor sentido de la palabra: amplía el conjunto de herramientas químicas para producir estructuras de carbono atómicamente precisas, potenciales bloques de construcción para la futura electrónica molecular, transistores orgánicos o novedosas nanoribbons semiconductoras. "El PPP es uno de los polímeros conjugados cuyas propiedades electrónicas dependen en gran medida de la longitud de la cadena y de la perfección estructural", comenta Gottfried. Al mismo tiempo, las cadenas ultralargas ahora accesibles sirven de punto de partida para definir nanoribbones de carbono con propiedades personalizadas".
Colaboración de caminos cortos
El avance ha sido posible gracias a la estrecha interacción entre el diseño químico, la física de superficies, la microscopía de alta resolución y la teoría en el área de interés de LOEWE "Principios de síntesis en superficie (PriOSS)", un proyecto conjunto de las universidades de Marburgo y Giessen. Caminos cortos, conocimientos interdisciplinarios y la combinación coherente de ideas, experimentos e imágenes atómicas: este "espíritu Marburg-Gießen" permite construir moléculas como si se tratara de un plano y visualizar su formación paso a paso. "El trabajo de Michael Gottfried y su equipo demuestra de forma impresionante el potencial que encierra la estrecha colaboración entre las universidades de Marburgo y Giessen en el Campus de Investigación de Hesse Central", afirma el Vicepresidente de Investigación, Prof. Dr. Gert Bange. "Aunando conocimientos complementarios, aquí están surgiendo avances científicos y nuevas perspectivas para materiales de precisión atómica y futuras tecnologías de semiconductores".
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Publicación original
Qitang Fan, J. Michael Gottfried et al., On-Surface Radical Ring-Opening Polymerization Produces Ultra-Long Poly(p-phenylene) for Access to Nonbenzenoid Carbon Nanoribbons, Nature Chemistry (2026)
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