Investigadores de las universidades de Jyvaskyla (Finlandia) y Xiamen (China) han descubierto una nueva forma de fabricar materiales cristalinos macroscópicos funcionales a partir de grupos intermetálicos de plata y oro de 34 átomos de tamaño nanométrico. El material del racimo tiene una conductividad eléctrica altamente anisotrópica, siendo un semiconductor en una dirección y un aislante eléctrico en otras direcciones. La síntesis del material y sus propiedades eléctricas se investigaron en Xiamen y la caracterización teórica del material se llevó a cabo en Jyvaskyla. La investigación se publicó en línea en Comunicaciones de la naturaleza el 6 de mayo 2020.

Los racimos de metales se sintetizaron mediante química húmeda, añadir sales de oro y plata y moléculas de etiniladamantano en una mezcla de metanol y cloroformo o diclorometano. Todas las síntesis produjeron los mismos grupos de plata y oro de 34 átomos con una estructura atómica idéntica, pero sorprendentemente el uso de diclorometano / metanol como disolvente inició una reacción de polimerización después de la formación de grupos en solución y el crecimiento de monocristales del grosor de cabello humano que consisten en cadenas poliméricas alineadas de los grupos.

Los cristales se comportaron como un material semiconductor en la dirección del polímero y como un aislante eléctrico en las direcciones transversales. Este comportamiento surge del enlace atómico metal-metal en la dirección del polímero, mientras que en las direcciones transversales los grupos de metales están aislados entre sí por una capa de etiniladamantano.

El modelado teórico del material del clúster mediante simulaciones intensivas por computadora utilizando la teoría funcional de densidad predijo que el material tiene una brecha de energía de 1.3 eV para excitaciones electrónicas. Esto se confirmó mediante mediciones de absorción óptica y conductividad eléctrica en un diseño en el que montamos monocristales como parte de un transistor de efecto de campo. que mostró una propiedad semiconductora de tipo p del material. La conductividad eléctrica a lo largo de la dirección del polímero fue de aproximadamente 1800 veces en comparación con las direcciones transversales.

"Nos sorprendió bastante la observación de que la formación del polímero se puede controlar mediante un simple cambio de moléculas de disolvente. Lo descubrimos probablemente por buena suerte, pero esperamos que este resultado se pueda aplicar en el futuro para diseñar materiales nanoestructurados jerárquicos con la funcionalidad deseada, "dice el profesor Nanfeng Zheng de la Universidad de Xiamen, quien dirigió el trabajo experimental.

"Este trabajo muestra un ejemplo interesante sobre cómo se pueden diseñar las propiedades de los materiales macroscópicos en la síntesis ascendente de nanomateriales. El modelado teórico de este material fue bastante desafiante debido a un modelo a gran escala que tuvimos que construir para tener en cuenta la periodicidad correcta de el cristal de polímero. Para ello, nos beneficiamos mucho de tener acceso a algunas de las supercomputadoras más grandes de Europa, "dice el profesor de la Academia Hannu Hakkinen de la Universidad de Jyvaskyla, quien dirigió el trabajo teórico.