Las primeras imágenes detalladas de la estructura de los polímeros conjugados han sido producidas por un equipo de investigación dirigido por el profesor Giovanni Costantini en la Universidad de Warwick.

La capacidad de estos polímeros para conducir electricidad los hace muy buscados, pero hasta ahora también podrían describirse como extremadamente tímidos ante la cámara, ya que no ha habido un medio fácil para determinar su estructura. La nueva técnica permite a los investigadores no solo determinarlo, sino también verlo claramente con sus propios ojos.

Los polímeros conjugados pueden conducir electricidad porque son una cadena de moléculas conjugadas donde los electrones pueden moverse libremente debido a sus orbitales p de electrones superpuestos. Efectivamente, son excelentes alambres moleculares. Es más, son similares a los materiales semiconductores (tienen brechas de energía), por lo que se pueden utilizar para aplicaciones electrónicas (electrónica plástica) y fotovoltaicas (células solares orgánicas).

Los polímeros funcionales modernos son a menudo copolímeros, es decir, están formados por una secuencia (idealmente regular) de diferentes monómeros. El orden de estos monómeros es esencial para sus propiedades optoelectrónicas, que pueden verse dañadas por errores en la forma en que los monómeros se unen realmente en una cadena para formar el polímero (los llamados errores de polimerización que ocurren durante la síntesis de estos materiales). Sin embargo, La detección de la naturaleza y la posición exacta de estos errores ha resultado problemática con los métodos analíticos actuales. La espectrometría de masas no proporciona una solución, ya que las cadenas poliméricas más cortas suelen ser más propensas a ionizarse y, por tanto, tienden a estar sobrerrepresentadas en los espectros.

Costantini y sus colaboradores han propuesto e implementado un enfoque completamente novedoso para superar este problema analítico fundamental. La idea subyacente es extremadamente simple, pero al mismo tiempo transformador:deposita los polímeros en una superficie y crea una imagen de ellos mediante microscopía de túnel de barrido (STM) de alta resolución. Este enfoque realiza efectivamente una de las predicciones visionarias de Richard Feynman en su famoso discurso de 1959 Hay mucho espacio en la parte inferior, donde dijo que en el futuro "sería muy fácil hacer un análisis de cualquier sustancia química complicada; lo único que habría que hacer sería mirarla y ver dónde están los átomos".

La resolución a escala atómica de STM es ideal para este objetivo, pero el problema sigue siendo que las cadenas de moléculas de polímero deben depositarse primero intactas al vacío sobre superficies atómicamente limpias y planas. El método habitual para hacer esto implica calentar el material molecular hasta que se sublima pero, para moléculas tan grandes como polímeros, esto efectivamente funde la estructura que debería estudiarse. Por lo tanto, los autores han optado por un nuevo método que rocía una nube del polímero a través de una serie de pequeñas aberturas en una cámara de vacío. permitiendo que se deposite una sola capa sin mezclar sobre una superficie que es completamente representativa de la muestra de polímero original. STM de estas capas produjo imágenes asombrosamente resueltas, revelando claramente los detalles de los submonómeros de los polímeros conjugados.

Los investigadores dirigidos por el profesor Giovanni Costantini en la Universidad de Warwick con colegas de Imperial, Cambridge y Liverpool han publicado estos resultados en un artículo titulado "Secuenciación de polímeros conjugados a simple vista" que aparece en Avances de la ciencia hoy viernes 15 de junio de 2018. Sus imágenes STM de alta resolución de la estructura de los polímeros conjugados son tan detalladas que no solo pueden ayudar con el control de calidad y el ajuste fino del diseño del polímero. pero incluso pueden usarse como algo parecido a una foto de pasaporte de propiedad intelectual (IP) para polímeros. Se especula que imágenes tan precisas y claras podrían ayudar a los investigadores sintéticos a demostrar exactamente el diseño que desean proteger legalmente al mejorar drásticamente la información disponible para respaldar una aplicación de protección de la propiedad intelectual.

En su papel los investigadores demuestran el poder de la nueva técnica examinando el polímero conjugado:"Politetradecil-dicetopirrolopirrol-furan-co-furano". Este es un polímero conjugado de la familia basada en DPP que actualmente muestra algunos de los mejores rendimientos en dispositivos optoelectrónicos.

Este material es más eficaz cuando sus cadenas de polímero se forman en una secuencia alterna de un monómero "A" grande y un monómero "B" más pequeño. Sin embargo, Pueden ocurrir fallas durante la síntesis que rompan esa secuencia ideal, dañando así también sus atractivas propiedades conductoras y captadoras de luz. Las especulaciones hasta ahora eran que esto ocurre principalmente cuando dos de los monómeros "A" más grandes se unen directamente en una secuencia BAAB.

Cuando ocurren estos defectos, Se forman espacios o huecos en el ensamblaje del polímero conjugado en correspondencia con esos errores en la cadena. El equipo de investigación dirigido por la Universidad de Warwick pudo usar su nueva técnica de visualización para mostrar muy claramente todas estas brechas y luego acercarse más a las cadenas de polímeros. localizar con precisión cada una de las secuencias de monómero defectuosas. Al hacerlo, para su gran sorpresa, no encontraron los defectos BAAB esperados, sino defectos ABBA.

Profesor Giovanni Costantini, un físico del Departamento de Química de la Universidad de Warwick dijo:

Esta nueva capacidad para obtener imágenes de polímeros conjugados con resolución espacial submonomérica, nos permite, por primera vez, secuenciar un material polimérico con solo mirarlo. Algunas de las primeras imágenes que produjimos utilizando esta técnica fueron tan detalladas que cuando los investigadores que sintetizaron los polímeros las vieron por primera vez, su impresión de alegría me recordó cómo reaccionan los nuevos padres a las primeras ecografías de sus bebés.

Además de representar un avance técnico significativo, esta nueva técnica de combinación de la deposición por electropulverización al vacío con microscopía de túnel de barrido de alta resolución también tiene el potencial de revolucionar las capacidades analíticas en el campo de aplicación relevante de polímeros conjugados donde otras técnicas actualmente disponibles son extremadamente limitadas.

Estoy particularmente agradecido a la Universidad de Warwick, que financió directamente la compra del equipo de deposición por electropulverización que fue crucial para lograr este importante avance técnico.