Nuevos materiales 2D adaptados por autoorganización y fotopolimerización.

Andreas Heddergott - TUM
Markus Lackinger transfiriendo una muestra al interior de la cámara de ultra alto vacío por medio de una pinza de vacío. Esta cámara de vacío contiene todas las instalaciones para la preparación y el análisis de muestras al vacío.

Un equipo internacional de investigación dirigido por miembros de la Universidad Técnica de Múnich, el Deutsches Museum y la Universidad de Linköping ha desarrollado un método para fabricar polímeros bidimensionales con el grosor de una sola molécula. Los polímeros se forman en una superficie por la acción de la luz. El descubrimiento abre el camino a nuevos materiales ultrafinos y funcionales.

La búsqueda de nuevos materiales bidimensionales se ha intensificado rápidamente tras el descubrimiento del grafeno, un supermaterial cuyas excelentes propiedades incluyen una gran conductividad y resistencia, lo que lo hace increíblemente versátil.

Para crear materiales ultrafinos se utilizan dos enfoques principales. En el primero, se “despega” una capa continua de moléculas o átomos del grueso del material. El grafeno es un ejemplo de este tipo de material.

El otro enfoque, en cambio, consiste en construir el material molécula a molécula produciendo enlaces entre las moléculas de diversas maneras. El problema es que los materiales suelen ser pequeños, frágiles y con muchos defectos. Esto limita los posibles ámbitos de aplicación.

La autoorganización y la fotopolimerización producen un nuevo material 2D
Un equipo internacional de investigación con miembros de la Universidad Técnica de Múnich, el Deutsches Museum y la Universidad de Linköping, entre otros, ha desarrollado un nuevo método para fabricar polímeros bidimensionales. El descubrimiento permite desarrollar nuevos materiales funcionales ultrafinos con estructuras cristalinas muy definidas y regulares.

La fabricación, o polimerización, del material tiene lugar en dos pasos. Los investigadores utilizan una molécula conocida como “fantrip”. “Fantrip” es una contracción de “fluorinated anthracene triptycene”. Esta molécula es una fusión de dos hidrocarburos diferentes: antraceno y triceno. Las propiedades específicas del fantrip hacen que las moléculas se organicen espontáneamente en un patrón cuando se colocan sobre una superficie de grafito cubierta con un alcano. Este proceso se conoce como “autoorganización”.

El siguiente paso es la fotopolimerización propiamente dicha, cuando el patrón se fija con ayuda de la luz. Las moléculas se iluminan con un láser violeta que excita los electrones de la capa electrónica más externa. Esto hace que se formen enlaces covalentes fuertes y duraderos entre las moléculas.

El resultado es un polímero bidimensional poroso, de medio nanómetro de grosor, formado por varios cientos de miles de moléculas idénticamente unidas, es decir, un material con un orden casi perfecto, hasta el nivel atómico.

Las simulaciones confirman las estructuras asignadas
Dado que la fotopolimerización se lleva a cabo en una superficie de grafito sólido, es posible seguir el proceso a escala molecular mediante la microscopía de efecto túnel. Esto muestra los enlaces recién formados en una red persistente. Para confirmar la asignación de la estructura, el grupo de investigación dirigido por Jonas Björk ha simulado el aspecto de las redes moleculares bajo el microscopio en diferentes etapas de la reacción.

Jonas Björk es profesor adjunto de la División de Diseño de Materiales del Departamento de Física, Química y Biología de la Universidad de Linköping. Ha utilizado recursos informáticos de alto rendimiento en el Centro Nacional de Supercomputación de Linköping para validar los experimentos y comprender los factores clave que hacen que el método tenga éxito.

“Vemos que las simulaciones coinciden bien con la realidad hasta el más mínimo detalle, y también podemos entender por qué nuestro sistema específico da resultados tan útiles”. El siguiente paso de la investigación será ver si el método puede utilizarse para unir otras moléculas y obtener nuevos materiales bidimensionales y funcionales. Al mejorar el método, también podremos controlar y adaptar el tipo de materiales ultrafinos que pretendemos fabricar”, afirma Jonas Björk.

Fijación de moléculas autoorganizadas con luz
“Crear enlaces covalentes entre moléculas requiere mucha energía. La forma más habitual de suministrar energía es aumentar la temperatura, pero esto también hace que las moléculas empiecen a moverse. Así que no funcionará con moléculas autoorganizadas, ya que el patrón se desdibujaría. Utilizar la luz para crear enlaces covalentes preserva el patrón y lo fija exactamente como queremos”, afirma Markus Lackinger, jefe del grupo de investigación del Deutsches Museum y la Universidad Técnica de Múnich.

La polimerización tiene lugar en el vacío, lo que garantiza que el material no se contamine. Sin embargo, la película polimérica bidimensional final también es estable en condiciones atmosféricas, lo que supone una ventaja para futuras aplicaciones. Markus Lackinger cree que el material encontrará muchas aplicaciones imaginables.

“La aplicación más obvia es utilizar el material como filtro o membrana, pero en el horizonte pueden aparecer, también por casualidad, aplicaciones de las que no tenemos ni idea por el momento en contextos totalmente diferentes. Por eso la investigación básica es tan apasionante”, afirma Markus Lackinger.

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