Un equipo de investigación internacional con miembros de la Universidad de Linköping, la Universidad Técnica de Munich y el Deutsches Museum, entre otros, ha desarrollado un método para fabricar polímeros bidimensionales con el grosor de una sola molécula. Los polímeros se forman sobre una superficie por la acción de la luz. El descubrimiento allana el camino hacia nuevos materiales ultrafinos y funcionales, y ha sido publicado en Química de la naturaleza .

La búsqueda de nuevos materiales bidimensionales se ha intensificado rápidamente después del descubrimiento del grafeno, un supermaterial cuyas excelentes propiedades incluyen alta conductividad y resistencia. haciéndolo increíblemente versátil. Se utilizan dos enfoques principales para crear materiales ultrafinos. En el primero, una capa continua de moléculas o átomos se "despega" de la mayor parte del material. El grafeno es un ejemplo de tal material.

El otro enfoque, a diferencia de, Implica la construcción del material molécula por molécula mediante la producción de enlaces entre las moléculas de diversas formas. El problema es que los materiales suelen ser pequeños, frágil y contiene muchos defectos. Esto limita las posibles áreas de aplicación.

Un equipo de investigación internacional con miembros de la Universidad de Linköping, la Universidad Técnica de Munich y el Deutsches Museum, entre otros, ahora 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 fabrica, o polimerización, del material se lleva a cabo en dos pasos. Los investigadores utilizan una molécula conocida como "fantrip", una contracción del "tripticeno antraceno fluorado". Esta molécula es una fusión de dos hidrocarburos diferentes:antraceno y tripticeno. Las propiedades específicas del fantrip hacen que las moléculas se organicen espontáneamente en un patrón adecuado para la fotopolimerización cuando se colocan sobre una superficie de grafito cubierta con un alcano. Este proceso se conoce como "autoorganización".

El siguiente paso es la fotopolimerización en sí, cuando el patrón debe fijarse con la ayuda de la luz. Las moléculas están iluminadas por un láser violeta que excita los electrones en la capa de electrones más externa. Esto hace que se formen enlaces covalentes fuertes y duraderos entre las moléculas. El resultado es un polímero bidimensional poroso, medio nanómetro de espesor, que consta de varios cientos de miles de moléculas unidas de forma idéntica, en otras palabras, un material con un orden casi perfecto, hasta el nivel atómico.

"La creación de enlaces covalentes entre moléculas requiere mucha energía. La forma más común de suministrar energía es elevar la temperatura, pero esto también hace que las moléculas comiencen a moverse. Entonces no funcionará con moléculas autoorganizadas, ya que el patrón se volvería borroso. El uso de la luz para crear enlaces covalentes conserva el patrón y lo fija exactamente como lo queremos, "dice Markus Lackinger, Líder del grupo de investigación del Deutsches Museum y la Universidad Técnica de Munich.

Dado que la fotopolimerización se realiza sobre una superficie de grafito sólido, es posible seguir el proceso a escala molecular utilizando microscopía de túnel de barrido. Esto muestra los enlaces recién formados en una red persistente. Para confirmar la asignación de la estructura, el grupo de investigación ha simulado la aparición de las redes moleculares en el microscopio en diferentes etapas de la reacción.

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

"Vemos que las simulaciones concuerdan 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 se puede utilizar para unir otras moléculas para obtener nuevos materiales bidimensionales y funcionales. Mejorando el método, también podremos controlar y adaptar el tipo de materiales ultrafinos que pretendemos fabricar, "dice Jonas Björk.

La polimerización se realiza al vacío, lo que asegura que el material no esté contaminado. Sin embargo, la película de polímero bidimensional final también es estable en condiciones atmosféricas, lo cual es una ventaja para futuras aplicaciones. Markus Lackinger cree que el material encontrará muchas aplicaciones concebibles.

"La aplicación más obvia es utilizar el material como filtro o membrana, pero aplicaciones de las que no tenemos idea en este momento en contextos completamente diferentes pueden aparecer en el horizonte, también por casualidad. Es por eso que la investigación básica es tan emocionante, "dice Markus Lackinger.