Un nuevo protocolo químico introduce el diseño en superficie de polímeros basados en antraceno con un bandgap electrónico estrecho, de amplio interés para la optoelectrónica orgánica
Las propiedades ópticas y electrónicas de los polímeros π-conjugados los han colocado en el paradigma de la electrónica orgánica. A pesar de los grandes avances en el campo, la escasa solubilidad de muchos de estos compuestos impide su síntesis por métodos químicos estándar, como es la química de disolución. Por ejemplo, los compuestos de acenos (anillos de benceno fusionados en una disposición rectilínea) presentan un gran potencial para la electrónica plástica, pero el diseño de polímeros conjugados de alta calidad basados en unidades de aceno no se ha logrado completamente hasta la fecha. Aquí, la síntesis en superficie (on-surface) se ha convertido en una poderosa herramienta para diseñar con precisión atómica una amplia variedad de nanomateriales.
En la reciente publicación de Angewandte Chemie Int. Ed., investigadores liderados por los profesores David Écija, Nazario Martín, Pavel Jelínek y Jonas Björk han presentado un extenso estudio sobre la síntesis en superficie de nanohilos moleculares de poli(p-antraceno etinileno), en una superficie de oro. En el estudio se ha utilizado la microscopía de efecto túnel (STM), microscopía de fuerza atómica (AFM) y teoría funcional de la densidad (DFT). La nueva estrategia química se basa en la deshalogenación, el homo-acoplamiento y la aromatización de un precursor de antraceno quinoide dotado de grupos =CBr2. El calentamiento a 400K permitió la desbromación y, después de la difusión de la especie, se formaron hilos moleculares sin defectos de hasta 30 nm de largo. La microscopía STM reveló la distribución espacial de los bordes de las bandas de valencia y conducción, y se encontró un estrecho bandgap de 1.5 eV, posteriormente confirmado por los cálculos DFT.
Hasta la fecha, nadie había logrado polimerizar la familia de los acenos. Este desafío fue abordado mediante la combinación de la química orgánica (Prof. Nazario Martín) y la química en superficie (Prof. David Écija). En la síntesis, las especies precursoras estaban equipadas con grupos funcionales adecuados para dirigir la formación de puentes de etinileno (-C≡C-). Esta elegante reacción de acoplamiento tiene pocos productos secundarios y permite el estudio detallado a nivel atómico de la estructura molecular. En particular, su bajo bandgap hace de esta estructura un interesante nanomaterial para dispositivos optoelectrónicos. Se necesitarán estudios posteriores que ya están en curso para investigar la transferencia óptima de los polímeros a dispositivos funcionales.
Écija señala que “el estudio es exhaustivo; incluye no solo la síntesis de una nueva familia de polímeros, sino que también abarca sus propiedades electrónicas a lo largo de la macromolécula”. Los autores confían en las nuevas posibilidades de este nanomaterial: "Creemos que este avance traerá nuevas posibilidades para el desarrollo de dispositivos electrónicos orgánicos; ahora hay mucho trabajo por delante", dice Santos, coautor de la publicación de acceso abierto. Por ejemplo, la transferencia del grafeno poroso a otros sustratos ya se ha demostrado recientemente, lo que abre nuevas vías para llevar estos nanomateriales a nuevas aplicaciones.
Este trabajo es una colaboración multidisciplinar entre científicos de IMDEA Nanociencia (Madrid), la Universidad Complutense de Madrid, el Centro Regional de Tecnologías y Materiales Avanzados (República Checa), la Academia de Ciencias de la República Checa y la Universidad de Linköping.
David Écija y Nazario Martín son investigadores de IMDEA Nanociencia, Centro de Excelencia Severo Ochoa. El trabajo de Écija y su grupo se centra en la química física y la nanociencia molecular en interfaces. David Écija fue galardonado recientemente con la beca ERC Consolidator por su proyecto ELECNANO, que diseñará nanomateriales eléctricamente ajustables que incorporan lantánidos. Nazario Martín (IMDEA Nanociencia y Universidad Complutense de Madrid) tiene actualmente una beca Advanced del ERC y su investigación se centra en la química de las nanoestructuras de carbono. El trabajo ha sido cofinanciado por el proyecto sinérgico QUIMTRONIC de la Comunidad de Madrid que dirigen Martín y Écija.
Publicación de Acceso Abierto
A. Sánchez-Grande et al. Angew. Chem. Int. Ed. 10.1002/anie.201814154 (2019).
