Las interfaces moleculares formadas entre metales y compuestos moleculares tienen un enorme potencial como componentes básicos para futuros dispositivos optoelectrónicos y de electrónica de espín. Los complejos de ftalocianina y porfirina de metales de transición son componentes prometedores para dichas interfaces. Los científicos de Forschungszentrum Jülich, junto con un equipo de científicos internacionales, han estado trabajando para desarrollar un sistema modelo para diseñar dichos dispositivos con funciones únicas y un rendimiento mejorado al estabilizar y controlar los estados de espín y oxidación en los complejos con precisión a nanoescala. Entre otras cosas, descubrieron un mecanismo que puede usarse en el futuro para almacenar información en porfirinas o desarrollar sensores extremadamente sensibles para detectar dióxido de nitrógeno tóxico.

Algunos de los procesos más importantes en los sistemas biológicos son catalizados por enzimas que contienen iones metálicos, donde la reactividad inesperada corresponde a estados de oxidación bajos. Por ejemplo, las porfirinas, una clase de moléculas colorantes, participan en la fotosíntesis de las plantas y en el transporte de oxígeno en los glóbulos rojos. Inspirándose en sus funciones biológicas, los científicos han asignado a las porfirinas una amplia gama de usos tecnológicos. Sin embargo, cualquier aplicación práctica de estos complejos organometálicos en el ámbito de la tecnología exige un control a escala nanométrica de las propiedades moleculares a explotar.

Un grupo de científicos de Forschungszentrum Jülich ha estado trabajando en estos sistemas durante algún tiempo con el objetivo de afinar sus propiedades electrónicas y magnéticas y comprender los mecanismos que gobiernan las interacciones en la interfaz. "Hemos dado el primer paso en esta dirección acoplando níquel-porfirina con cobre, que es una superficie altamente interactiva. Esta combinación única da como resultado algunas propiedades realmente interesantes:por ejemplo, el cobre promueve una transferencia de carga significativa en la porfirina. Además, desencadena la reducción del metal central, el níquel, acercando las características de este sistema a los sistemas biológicos que nos inspiraron en un primer momento, por lo que nos preguntamos, ¿por qué no ir más allá, haciendo uso del Ni(I)? ¿Alta reactividad?" explica el Dr. Vitaliy Feyer del Instituto Peter Grünberg de Jülich.

De hecho, los iones metálicos Ni(I) de baja valencia insaturados en esta interfaz están disponibles para la catálisis, y la unión de ligandos axiales, como pequeñas moléculas diatómicas, brinda la posibilidad de controlar aún más los estados de oxidación y espín. Lo que parecía ser un enfoque simple ha resultado en descubrimientos intrigantes:por ejemplo, exponer la interfaz molecular a una dosis baja de dióxido de nitrógeno resultó en que el ion de níquel cambiara a un estado de espín más alto. Incluso en un sistema multicapa enterrado, el ion de níquel de baja valencia químicamente activo se puede funcionalizar con dióxido de nitrógeno, proporcionando un ajuste selectivo de las propiedades electrónicas del centro metálico.

El cambio de espín de coordinación de ligando axial en la interfaz es un proceso reversible, y el estado prístino se puede restaurar mediante el recocido suave de la interfaz. Mientras que el níquel funciona como un interruptor de espín reversible a temperatura ambiente, la estructura electrónica de la columna vertebral del macrociclo, donde se localizan principalmente los orbitales fronterizos, permanece inalterada. "La razón de esto es que el fuerte contacto de la porfirina con el sustrato parece comportarse como una contraparte energética, evitando más modificaciones geométricas causadas por el llamado efecto trans superficial", dice Iulia Cojocariu, Ph.D. estudiante del Instituto Peter Grünberg. Este método nunca antes se había observado a temperatura ambiente y tiene el potencial de ser explotado en el futuro para almacenar información en porfirinas o para construir sensores extraordinariamente sensibles para detectar sustancias peligrosas como el dióxido de nitrógeno.

La investigación fue publicada en Small . + Explora más

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