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Aug 09, 2023

Pesquisadores produzem polímeros a partir de ballbot

A síntese química na superfície sob condições extremamente limpas permite a síntese controlada de polímeros N-heterocíclicos do tipo ballbot Imagem da Universidade de Münster: Vista lateral da estrutura – otimizada

A síntese química na superfície sob condições extremamente limpas permite a síntese controlada de polímeros N-heterocíclicos do tipo ballbot

Universidade de Munster

imagem: Vista lateral da estrutura – otimizada usando a teoria do funcional da densidade da mecânica quântica – de uma cadeia de moléculas do tipo ballbotVeja mais

Crédito: Universidade de Münster – Grupo Doltsinis

Os carbenos N-heterocíclicos (NHCs) são pequenas moléculas de anéis reativos que se ligam bem a superfícies metálicas e que, ao longo dos últimos anos, têm atraído grande interesse no campo da modificação química estável de superfícies metálicas. Uma propriedade – descoberta na Universidade de Münster, na Alemanha, há alguns anos – é a capacidade que certos derivados do NHC têm, não apenas de se ancorarem em átomos metálicos individuais, mas também de extrair completamente um átomo individual da superfície. Tendo-se ligado aos chamados adátomos, os NHCs deslizam livremente sobre a superfície – como um ballbot, ou seja, um robô que se move sobre uma esfera. Utilizando estas “moléculas ballbot” e trabalhando em conjunto com investigadores chineses, os físicos e químicos de Münster conseguiram agora, pela primeira vez, fazer com que os NHCs halogenados produzissem polímeros móveis de cadeia longa – ou seja, cadeias de moléculas – em superfícies metálicas. Detalhes do trabalho foram publicados na revista Nature Chemistry.

A mobilidade dos NHCs do tipo ballbot abre novas possibilidades, por exemplo, automontagem em domínios altamente ordenados a partir deste tipo de molécula, até um comportamento cooperativo do tipo enxame por parte dos NHCs na conversão autônoma de certas superfícies metálicas em um estrutura altamente ordenada diferente, sem qualquer influência externa, como luz ou elétrons. “Além da auto-organização, esses polímeros ballbot são uma grande promessa para novas aplicações em nanoeletrônica, funcionalização de superfície e catálise”, diz o Prof. Harald Fuchs, Professor Sênior do Instituto de Física da Universidade de Münster e Diretor Científico do Centro de NanoTecnologia ( CeNTech) em Munster.

Os NHCs podem ser facilmente modificados nos grupos nitrogênio (N) do corpo heterocíclico quíntuplo das moléculas. Como resultado, isto permite não só influenciar a interação eletrónica entre os carbenos e os átomos de uma superfície metálica – por exemplo, ouro – mas também controlar o alinhamento dos carbenos verticalmente ou paralelamente a uma superfície. Uma característica especial dos NHCs halogenados utilizados – que foram desenvolvidos no Instituto de Química Orgânica da Universidade de Münster – é a sua capacidade de formar espontaneamente adátomos em metais nobres e a mobilidade que surge como resultado. Este é um pré-requisito para a sua união e para a reação com outros sistemas reativos na superfície.

“Um fator decisivo para o sucesso dos experimentos foi o equilíbrio entre a reatividade química das unidades estruturais monoméricas e sua mobilidade”, diz o autor principal, Prof. Jindong Ren, ex-pesquisador de pós-doutorado no grupo do Prof. investigador (PI) e líder de grupo do Centro Nacional de Nanociência e Tecnologia (NCNST) da China. Por um lado, os monómeros podem mover-se facilmente na superfície devido à sua propriedade ballbot; por outro lado, o tempo de contacto que as partes na reacção têm necessita de ser suficientemente longo para que a reacção aconteça. Isto ocorre sobretudo através da estrutura molecular e de um ajuste de temperatura adequado durante o experimento.

O controle das reações químicas e o fornecimento de evidências dos produtos de reação desejados no campo da química de precisão para superfícies exigem experimentos preparativos e analíticos altamente especializados que permitem a observação de interações moleculares em superfícies e etapas de reação individuais em escala submolecular. Para tanto, os pesquisadores do CeNTech, NCNST e do Centro Nacional de Física da Matéria Condensada de Pequim e do Instituto de Física empregaram métodos de microscopia de varredura por sonda (STM e nc-AFM), bem como espectroscopia de fotoemissão, para esclarecer a ligação química que ocorre e para fornecer evidências das estruturas do ballbot. Os resultados experimentais foram complementados por elaboradas simulações computacionais no Instituto de Teoria do Estado Sólido da Universidade de Münster, baseadas em abordagens de mecânica quântica e campos de força reativos. Desta forma, confirmaram os resultados experimentais e quantificaram as propriedades eletrônicas e estruturais dos polímeros do ballbot.