Los hidrocarburos poliaromáticos (HAP) forman una clase importante de moléculas, que pueden considerarse pequeñas especies de grafeno y que desempeñan un papel destacado en el desarrollo de la electrónica orgánica. Científicos de la Universidad de Radboud, la Universidad de Amsterdam y FOM ahora muestran que las estructuras de borde de estas moléculas aparentemente similares son responsables de diferencias espectaculares en las propiedades de transporte, permitiendo un diseño más inteligente de nuevos materiales. Comunicaciones de la naturaleza publica los resultados el 31 de agosto.

Los PAH están formados por anillos de carbono hexagonales conectados. Son útiles para producir materiales para nuevos superconductores a escala molecular, pero también son de interés astrofísico, ya que se cree que una fracción sustancial del carbono interestelar está encerrada en estas moléculas muy estables. Para todas estas aplicaciones, Es importante una comprensión fundamental de la distribución de electrones y su relación con las características topológicas de los PAH. La forma exacta en que se unen los anillos de carbono, la topología de la molécula, parece jugar un papel importante aquí, pero no estaba claro cómo. Con experimentos espectroscópicos avanzados en el Laboratorio FELIX, el físico Héctor Alvaro Galué junto con científicos de la Universidad Radboud y la Universidad de Amsterdam, ha demostrado que la topología determina cómo la distribución de electrones está vinculada a la dinámica vibratoria del esqueleto de carbono.

Estructuras de zigag y sillón

Con el láser de electrones libres FELIX en la Universidad de Radboud, Álvaro Galué determinó los espectros vibracionales de dos iones PAH cargados positivamente que constan de cinco hexágonos conectados. El pentaceno tiene una estructura de borde en zigzag (Figura 1, derecha y Figura 2, arriba) mientras que la estructura del borde de picene se conoce comúnmente como sillón (Figura 1, izquierda y Figura 2, fondo). Inesperadamente, una comparación de los espectros de IR de los dos iones PAH reveló grandes diferencias de intensidad para las vibraciones de los dos PAH.

La (entre los físicos moleculares) conocida aproximación de Born-Oppenheimer constituye una separación estricta entre el movimiento electrónico y el nuclear. Sin embargo, las diferencias descritas en los espectros vibracionales de pentaceno y picene muestran lo contrario. Durante la primera parte de una vibración, un lado de la molécula tiene una densidad de electrones más alta que la otra mitad. Durante la segunda parte de la vibración, la situación se invierte:la densidad de electrones se desplaza hacia ese lado. La situación es comparable a un recipiente que se inclina periódicamente y se llena de agua, haciendo que el agua salpique de un lado a otro. El "chapoteo" de la densidad de electrones, el flujo de electrones, mejora la absorción de luz infrarroja a la frecuencia específica de los átomos de carbono en vibración.

Flujo de electrones

La publicación actual muestra que la densidad de electrones chapoteando en picene se mejora, mientras que se cancela en gran medida en el pentaceno. Los cálculos sugieren que este no es solo el caso del piceno y el pentaceno, pero que es una propiedad intrínseca de los PAH con estructuras en zigzag y borde de sillón. Esto proporciona información valiosa sobre las propiedades electrónicas de estas dos clases de topologías de PAH (y grafeno).