Las últimas décadas han sido testigos de una gran cantidad de investigación en el campo de los materiales bidimensionales (2D). Como su nombre lo indica, estos materiales similares a una película delgada están compuestos por capas que tienen solo unos pocos átomos de espesor. Muchas de las propiedades químicas y físicas de los materiales 2D se pueden ajustar, lo que lleva a aplicaciones prometedoras en muchos campos, incluidos la optoelectrónica, la catálisis, la energía renovable y más.

Las nanoláminas de coordinación son un tipo particularmente interesante de material 2D. La "coordinación" se refiere al efecto de los iones metálicos en estas moléculas, que actúan como centros de coordinación. Estos centros pueden crear espontáneamente disposiciones moleculares organizadas que abarcan múltiples capas en materiales 2D. Esto ha atraído la atención de los científicos de materiales debido a sus propiedades favorables. De hecho, solo hemos comenzado a arañar la superficie con respecto a lo que pueden ofrecer las nanoláminas de coordinación de heterocapas, nanoláminas de coordinación cuyas capas tienen una composición atómica diferente.

En un estudio reciente publicado por primera vez el 13 de junio de 2022 y presentado en la portada de Chemistry—A European Journal , un equipo de científicos de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS) y la Universidad de Tokio en Japón informaron sobre una forma notablemente simple de sintetizar nanoláminas de coordinación de heterocapas. Compuestas por el ligando orgánico terpiridina, hierro y cobalto coordinados, estas nanoláminas se ensamblan en la interfaz entre dos líquidos inmiscibles de una manera peculiar. El estudio, dirigido por el Prof. Hiroshi Nishihara de TUS, también incluyó contribuciones del Sr. Joe Komeda, el Dr. Kenji Takada, el Dr. Hiroaki Maeda y el Dr. Naoya Fukui de TUS.

Para sintetizar las nanohojas de coordinación de heterocapas, el equipo primero creó la interfaz líquido-líquido para permitir su ensamblaje. Disolvieron el ligando tris(terpiridina) en diclorometano (CH₂ Cl₂ ), un líquido orgánico que no se mezcla con agua. Luego vertieron una solución de agua y tetrafluoroborato ferroso, un químico que contiene hierro, sobre el CH₂ Cl₂ . Después de 24 horas, se formó la primera capa de la nanolámina de coordinación, bis(terpiridina)hierro (o "Fe-tpy"), en la interfaz entre ambos líquidos.

Después de esto, eliminaron el agua que contenía hierro y la reemplazaron con agua que contenía cobalto. En los días siguientes, se formó una capa de bis(terpiridina)cobalto (o "Co-tpy") justo debajo de la que contiene hierro en la interfaz líquido-líquido.

El equipo realizó observaciones detalladas de la heterocapa utilizando varias técnicas avanzadas, como microscopía electrónica de barrido, espectroscopía de fotoelectrones de rayos X, microscopía de fuerza atómica y microscopía electrónica de transmisión de barrido. Descubrieron que la capa de Co-tpy se formaba perfectamente debajo de la capa de Fe-tpy en la interfaz líquido-líquido. Además, podían controlar el grosor de la segunda capa dependiendo de cuánto tiempo dejaran que el proceso de síntesis siguiera su curso.

Curiosamente, el equipo también descubrió que el orden de las capas se podía intercambiar simplemente cambiando el orden de los pasos de síntesis. En otras palabras, si primero agregaron una solución que contiene cobalto y luego la reemplazaron con una solución que contiene hierro, la heterocapa sintetizada tendría centros de coordinación de cobalto en la capa superior y centros de coordinación de hierro en la capa inferior. "Nuestros hallazgos indican que los iones metálicos pueden atravesar la primera capa desde la fase acuosa hasta el CH₂ Cl₂ fase para reaccionar con los ligandos de terpiridina justo en el límite entre la nanocapa y el CH₂ Cl₂ fase", explica el profesor Nishihara. "Esta es la primera aclaración de la dirección de crecimiento de las nanohojas de coordinación en una interfaz líquido/líquido".

Además, el equipo investigó las propiedades de oxidación-reducción de sus nanoláminas de coordinación, así como sus características de rectificación eléctrica. Descubrieron que las heterocapas se comportaban como un diodo de una manera consistente con los niveles de energía electrónica de Co-tpy y Fe-tpy. Estos conocimientos, junto con el sencillo procedimiento de síntesis desarrollado por el equipo, podrían ayudar en el diseño de nanoláminas de heterocapa hechas de otros materiales y adaptadas a aplicaciones electrónicas específicas. "Nuestro método sintético podría aplicarse a otros polímeros de coordinación sintetizados en interfaces líquido-líquido", destaca el profesor Nishihara. "Por lo tanto, los resultados de este estudio ampliarán la diversidad estructural y funcional de los materiales moleculares 2D".

Con la vista puesta en el futuro, el equipo seguirá investigando los fenómenos químicos que ocurren en las interfaces líquido-líquido, dilucidando los mecanismos del transporte de masa y las reacciones químicas. Sus hallazgos pueden ayudar a ampliar el diseño de materiales 2D y, con suerte, conducir a un mejor rendimiento de los dispositivos optoelectrónicos, como las células solares. + Explora más

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