Un equipo internacional de investigadores liderado por la Universidad Técnica de Munich (TUM) ha descubierto una ruta de reacción que produce capas exóticas con estructuras semirregulares. Este tipo de materiales son interesantes porque con frecuencia poseen propiedades extraordinarias. En el proceso, Las moléculas orgánicas simples se convierten en unidades más grandes que forman el complejo, patrones semirregulares. Con los experimentos en BESSY II en Helmholtz-Zentrum Berlin esto se pudo observar en detalle.

Solo unas pocas formas geométricas básicas se prestan para cubrir una superficie sin superposiciones ni huecos utilizando baldosas de forma uniforme:triángulos, rectángulos y hexágonos. Son posibles patrones regulares considerablemente más y significativamente más complejos con dos o más formas de baldosas. Estos son los llamados teselados o mosaicos de Arquímedes.

Los materiales también pueden presentar características de mosaico. Estas estructuras a menudo se asocian con propiedades muy especiales, por ejemplo, conductividad eléctrica inusual, reflectividad de luz especial o resistencia mecánica extrema. Pero, producir tales materiales es difícil. Requiere grandes bloques de construcción moleculares que no son compatibles con los procesos de fabricación tradicionales.

Teselaciones complejas a través de la autoorganización

Un equipo internacional liderado por los profesores Florian Klappenberger y Johannes Barth en la Cátedra de Física Experimental de TUM, así como el profesor Mario Ruben en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe, ahora han logrado un gran avance en una clase de redes supramoleculares:consiguieron que las moléculas orgánicas se combinaran en bloques de construcción más grandes con un mosaico complejo formado de manera autoorganizada.

Como compuesto de partida, usaron etinil yodofenantreno, una molécula orgánica fácil de manejar que comprende tres anillos de carbono acoplados con un yodo y un alquino en el extremo. Sobre un sustrato plateado, esta molécula forma una red regular con grandes mallas hexagonales.

A continuación, el tratamiento térmico pone en marcha una serie de procesos químicos, produciendo una novela, bloque de construcción significativamente más grande que luego forma una capa compleja con pequeños hexágonos, poros rectangulares y triangulares de forma prácticamente automática y autoorganizada. En el lenguaje de la geometría, este patrón se denomina teselación 3.4.6.4 semirregular.

Economía de átomos a través del reciclaje de subproductos

"Las mediciones de microscopía de túnel de barrido que realizamos en TUM muestran claramente que la reorganización molecular implica muchas reacciones que normalmente darían lugar a numerosos subproductos. En este caso, sin embargo, los subproductos se reciclan, lo que significa que el proceso general se ejecuta con una gran economía de átomos (casi un cien por ciento de recuperación) para llegar al producto final deseado, "explica el profesor Klappenberger.

Los investigadores descubrieron precisamente cómo sucede esto en experimentos posteriores. "Utilizando mediciones de espectroscopia de rayos X en el anillo de almacenamiento de electrones BESSY II del Helmholtz-Zentrum Berlin, pudimos descifrar cómo el yodo se separa del producto inicial, los átomos de hidrógeno se mueven a nuevas posiciones y los grupos alquino capturan el átomo de plata, "explica el autor principal Yi-Qi Zhang.

A través del átomo de plata, dos bloques de construcción iniciales se unen a un nuevo, bloque de construcción más grande. Estos nuevos bloques de construcción forman la compleja estructura de poros observada.

"Hemos descubierto un enfoque completamente nuevo para producir materiales complejos a partir de simples bloques de construcción orgánicos, ", resume Klappenberger." Esto es importante para la capacidad de sintetizar materiales con características novedosas y extremas específicas. Estos resultados también contribuyen a comprender mejor la aparición espontánea (emergencia) de la complejidad en los sistemas químicos y biológicos ".

El estudio se publica en Química de la naturaleza .