Las cadenas más largas del polímero conductor polifenileno (PPP) producidas hasta la fecha alcanzan casi un micrómetro (una milésima de milímetro) de longitud, casi una orden de magnitud más que lo posible anteriormente. Un equipo de investigación de química y física liderado por el Prof. Dr. Michael Gottfried de la Universidad Philipps de Marburgo ha demostrado por primera vez que el PPP puede sintetizarse en superficies mediante una polimerización por apertura de anillo específica como un verdadero crecimiento en cadena.
La longitud medida con mayor frecuencia es de alrededor de 170 nanómetros, con un valor atípico de casi 1.000 nanómetros. Un récord. El nuevo proceso, libre de halógenos, no requiere subproductos disruptivos y, por lo tanto, abre un acceso particularmente limpio a cadenas de polímeros conjugados ultralargas. El equipo interdisciplinario de las universidades de Marburgo, Giessen, Leipzig y investigadores chinos publicó los resultados en la revista «Nature Chemistry».
Crecimiento en cadena dirigido
A diferencia de las reacciones de acoplamiento basadas en superficies anteriores, en las que muchos fragmentos moleculares cortos se unen al azar, aquí una cadena continúa creciendo en un extremo de manera controlada: moléculas de anillo pre-tensionadas se abren y se unen a una superficie de cobre en un vacío ultraalto mediante el extremo reactivo de la cadena. «Este mecanismo previene la formación de subproductos que de otro modo bloquearían la superficie para reacciones posteriores», informa el químico Michael Gottfried. Utilizando microscopía de túnel de barrido de alta resolución (STM) y microscopía de fuerza atómica no de contacto (nc-AFM) con una punta funcionalizada, los investigadores pudieron visualizar directamente enlaces individuales. Las mediciones de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) y NEXAFS proporcionaron evidencia adicional de los cambios químicos durante la reacción. Las simulaciones de teoría del 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 de PPP ultralargas se pueden calentar a través de etapas intermedias específicas para producir nuevas nanoribbon con longitudes de hasta alrededor de 40 nanómetros. «Más tarde convertimos dos cadenas en una nueva cinta de carbono, como una cremallera», explica Gottfried.
Potenciales 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 de precisión atómica, posibles componentes básicos para la electrónica molecular futura, transistores orgánicos o nuevas nanoribbon semiconductoras. «El PPP es uno de los polímeros conjugados cuyas propiedades electrónicas dependen en gran medida de la longitud de la cadena y la perfección estructural», comenta Gottfried. Al mismo tiempo, las cadenas ultralargas que ahora son accesibles sirven como punto de partida para nanoribbon de carbono definidas con propiedades personalizadas.
Colaboración con caminos cortos
El avance fue posible gracias a la estrecha interacción entre el diseño químico, la física de la superficie, la microscopía de alta resolución y la teoría en el área focal LOEWE «Principios de la síntesis en superficie (PriOSS)», un proyecto conjunto de las universidades de Marburgo y Giessen. Caminos cortos, experiencia interdisciplinaria y la combinación constante de ideas, experimentos y imágenes atómicas: este «espíritu de Marburgo-Gießen» hace posible construir moléculas como si fueran según un plano y visualizar su formación paso a paso. «El trabajo de Michael Gottfried y su equipo demuestra de manera impresionante el potencial que reside en la estrecha cooperación entre las universidades de Marburgo y Giessen en el Campus de Investigación de Hesse Central», dice el Vicepresidente de Investigación, Prof. Dr. Gert Bange. «Al agrupar conocimientos complementarios, están surgiendo avances científicos y nuevas perspectivas para materiales de precisión atómica y futuras tecnologías de semiconductores».
