Figura 1. Estructuras de las moléculas utilizadas en el estudio de Fujii y colegas. izquierda:complejo de Ni antiaromático a base de norcorrol, Ni (ni). Derecha:complejo aromático a base de porfirina de Ni, Ni (pórfido). Crédito:Instituto de Tecnología de Tokio
Los investigadores demuestran una alta conductancia eléctrica para un complejo de níquel antiaromático, un orden de magnitud más alto que para un complejo aromático similar. Dado que la conductancia también se puede ajustar mediante compuerta electroquímica, Los complejos antiaromáticos son materiales prometedores para futuros dispositivos electrónicos.
Los materiales orgánicos a menudo tienen un costo de producción más bajo que los conductores eléctricos tradicionales como metales y semiconductores. No todos los sistemas orgánicos conducen bien la electricidad, sin embargo. Se ha pronosticado que una clase de materiales orgánicos conocidos como compuestos antiaromáticos, que presentan anillos planos de átomos de carbono que comparten una cantidad de electrones que es un múltiplo de cuatro, son excelentes conductores, pero esta predicción ha sido difícil de verificar, ya que las moléculas antiaromáticas suelen ser inestables. Ahora, Shintaro Fujii y Manabu Kiguchi del Instituto de Tecnología de Tokio y sus colegas han realizado un estudio sistemático del transporte de carga en un solo, Molécula antiaromática estable. En comparación con una molécula aromática relacionada estructuralmente (donde los anillos de carbono comparten dos electrones adicionales), su conductancia eléctrica récord es un orden de magnitud mayor.
Los investigadores estudiaron un complejo de níquel particular a base de norcorrol, Ni (ni), que es antiaromático pero estable, y un aromático estructuralmente similar, complejo de níquel a base de porfirina, Ni (pórfido). Midieron las conductividades de los dos compuestos por medio de la técnica de ruptura de unión con microscopía de túnel de barrido; en tal configuración, la corriente a través de una sola molécula intercalada entre dos partes de una unión rota se mide en función del voltaje aplicado. Con una conductancia de más de 4 10–4 cuantos de conductancia, Ni (ni) es el complejo organometálico conocido más conductor. Se encontró que el Ni (porph) tiene un valor aproximadamente 25 veces menor, un resultado que confirma la conductividad superior de las moléculas antiaromáticas. Mediante cálculos teóricos de la estructura electrónica de las moléculas y la propiedad de transporte de carga, los científicos pudieron identificar el origen de la conductancia mejorada por antiaromaticidad:para Ni (nor), el orbital molecular desocupado más bajo se encuentra más cerca del nivel de Fermi (la cantidad de trabajo necesario para agregar un electrón al sistema) que para el Ni (porph).
Fujii y sus colegas también lograron demostrar la capacidad de sintonización de la conductancia de una sola molécula de Ni (nor). Aplicando una técnica conocida como compuerta electroquímica, que permite controlar los niveles de energía molecular en relación con el nivel de Fermi de los electrodos fuente y de drenaje (de la unión de una sola molécula) mediante la variación de un potencial electroquímico aplicado, los investigadores demostraron una modulación de 5 veces la conductancia de Ni (nor).
Los hallazgos de Fujii y sus colegas muestran que los materiales antiaromáticos son sistemas prometedores de bajo costo que exhiben una alta conductancia eléctrica. En palabras de los investigadores, su estudio "proporciona directrices relevantes para el diseño de materiales moleculares para la electrónica de una sola molécula de alta conducción.
Figura 2. Niveles de energía orbital molecular para benceno aromático y colobutadieno antiaromático. Crédito:Instituto de Tecnología de Tokio
Fondo
Aromaticidad y antiaromaticidad
Las moléculas orgánicas se denominan aromáticas cuando presentan un anillo plano de átomos de carbono con enlaces de resonancia, un tipo de enlace intermedio entre un enlace simple y uno doble. resultando en una alta estabilidad química (es decir, baja reactividad). La molécula aromática arquetípica es el benceno, C 6 H 6 , con un anillo aromático hexagonal de átomos de carbono. El número de electrones (los llamados electrones π) compartidos por el anillo es siempre un múltiplo de cuatro más dos (para el benceno, por ejemplo, son seis), una propiedad conocida como la regla de Hückel.
La antiaromaticidad es una propiedad similar:un anillo de carbono plano, pero con un número de electrones π que es un múltiplo de cuatro (para el ciclobutadieno, por ejemplo, son cuatro). Tal situación resulta en inestabilidad química.
Fujii y sus colegas trabajaron con un establo, complejo a base de níquel que presenta un resto antiaromático. En comparación con un complejo similar con un resto aromático, su conductancia es un orden de magnitud mayor, confirmando la predicción anterior de que las moléculas antiaromáticas son excelentes conductores eléctricos.
Conductancia
Qué tan bien un material conduce la electricidad se expresa a través de una cantidad llamada conductancia eléctrica, G. Es la inversa de la resistencia eléctrica, R =1 / G. La conductancia se define como la relación de la corriente que atraviesa el material (o, en el presente trabajo, una sola molécula) y el voltaje V a través de ella. La unidad de conductancia es el siemens, S, pero los valores de conductancia se dan a menudo con respecto al cuanto de conductancia, G0 ≈ 7,7 x 10 –5 S.
Fujii y sus colegas obtuvieron valores de conductancia para complejos relacionados con níquel aromático y antiaromático mediante la medición de sus características de corriente-voltaje (I-V) en una configuración de microscopía de túnel de barrido (STM).
