Investigadores de IMDEA Nanociencia, La Universidad Autónoma de Madrid y la Universidad Complutense de Madrid han presentado una nueva estrategia para fabricar polímeros 1-D cuasi-metálicos con precisión atómica, en colaboración con la Academia Checa de Ciencias, EMPA (Zúrich, Suiza) y RCATM (Olomouc, República Checa). Esta investigación avanza la posibilidad de diseñar polímeros orgánicos estables con bandgaps electrónicos que desaparecen con aplicaciones que incluyen optoelectrónica molecular y tecnología de la información cuántica.

Los metales orgánicos (sintéticos) atrajeron mucha atención en las últimas décadas del siglo pasado debido a sus aplicaciones futuristas previstas y sus costos asequibles. Este campo fue impulsado por los primeros avances en polímeros de poliacetileno, que exhibió una alta conductividad tras el dopaje y abrió una nueva ruta hacia la electrónica orgánica y el Premio Nobel a sus descubridores. Sin embargo, Los científicos encontraron que los dopantes comprometían la estabilidad de los polímeros, reduciendo así sus aplicaciones como metales sintéticos en dispositivos reales.

Desde un punto de vista teórico, Los primeros esfuerzos para comprender los procesos fundamentales en el modelo de sistema trans-poliacetileno dieron como resultado el modelo Su-Shrieffer-Heeger (SSH). La teoría reveló que la forma resonante adoptada por el polímero, que emana de la conjugación de electrones pi (conjugación pi), puede alterar la clase electrónica del material de forma inesperada.

La teoría de bandas topológicas clasifica los materiales con huecos mediante el estudio matemático de su estructura de bandas en aisladores y aisladores topológicos no triviales. En el modelo SSH, una forma resonante se comporta como un aislante normal, mientras que la otra forma resonante es un aislante 1-D topológico no trivial, es decir., un material con huecos que presenta estados de borde en hueco. Por lo tanto, un cruce de forma resonante puede cambiar la clase topológica de un polímero. Pero poliacetileno, en cualquiera de sus formas resonantes, es un material con huecos. Como resultado, este polímero solo puede aumentar su conductividad al ser dopado química o electroquímicamente.

Por lo tanto, la pregunta es si los científicos pueden diseñar metales intrínsecos orgánicos 1-D. Para responder a esta pregunta, los científicos deben volver a las raíces de la teoría de bandas topológicas, que establece que la transición entre dos materiales con espacios debe proceder a través del cierre de la banda prohibida, es decir., a través de un estado metálico. Por lo tanto, si los investigadores pudieran diseñar una familia de materiales químicos y adaptar la topología de sus bandas ajustando la estructura química, podría ser factible aproximar o incluso ubicar el material en el punto de transición topológico.

En el estudio actual publicado en la revista Nanotecnología de la naturaleza , Los científicos idearon una investigación teórico-experimental combinada que unía los campos de la teoría de bandas topológicas (física del estado sólido) y la conjugación de electrones pi (química orgánica) para dar lugar a polímeros orgánicos cuasi-metálicos.

"Por primera vez, Podemos observar con microscopía de sonda de barrido la conexión entre la clase topológica y la forma resonante de un polímero, pavimentando caminos para diseñar nuevas clases de materiales electrónicos, incluidos los metales orgánicos intrínsecos y los aislantes no triviales topológicos unidimensionales, "Dice el profesor Ecija.

"Para ilustrar estos conceptos, confiamos en el poder de la síntesis orgánica para preparar precursores moleculares adecuados, y confiamos en la química de superficie para impulsar la ingeniería de los polímeros a través de una reacción sin precedentes ", dice el profesor Martín.

Primero, una nueva familia de polímeros de aceno, clasificados por el número de unidades de benceno en su columna vertebral (n =1, 2, 3…), se identifica para sufrir una transición topológica discreta. Para pequeños n (n <5), los polímeros están en la fase trivial, mientras que para grandes n (n> 5) no son triviales, identificando el límite cercano an =5 (polímero de pentaceno).

Los diferentes polímeros se fabrican con precisión atómica sobre sustratos de oro implementando los mejores enfoques de síntesis en la superficie, sintonizando la topología y las propiedades electrónicas de los polímeros resultantes a voluntad. "Según nuestra predicción teórica, el polímero de pentaceno se encuentra en una fase topológica no trivial muy cerca del límite topológico con un espacio muy pequeño, "dice Jelinek. De hecho, experimental measurements revealed their quasi-metallic behavior with 0.35 eV experimental band gap and the presence of in-gap topological edge states.

Authors generalize the concept by extending it to the polymer family of periacenes, achieving band gaps as low as 0.3 eV for bisanthene polymers, which are located close to the topological transition. Adicionalmente, the different resonant forms of the pi-system can be identified, demonstrating an ethynylene-bridged aromatic nature for the trivial polymers, whereas locating a cumulene-linked p-quinoid resonant form for the nontrivial wires. Por lo tanto, there is a crossover between the resonant forms, which corresponds to the topological band transition.

En resumen, this work serves both as a proof of the intimate relation between resonant form and topological class, while offering a new tool to produce stable organic intrinsic metals by designing polymers at the exact topological boundary.