Ligados pela natureza: moléculas de precisão para a eletrónica do futuro
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Os investigadores da Empa conseguiram, pela primeira vez, ligar moléculas orgânicas de porfirina com centros metálicos funcionais a uma nanofita de grafeno com precisão atómica. O sistema híbrido resultante é acoplado magneticamente e eletronicamente, abrindo caminho a uma vasta gama de aplicações em eletrónica molecular, desde a deteção química às tecnologias quânticas.
Uma nanofita de grafeno liga moléculas de porfirina - cada uma com um centro metálico (vermelho) - como um fio molecular de luzes de Natal. Os átomos de metal são mantidos no lugar por quatro átomos de azoto (azul) dentro do núcleo da porfirina
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Precisão máxima: Com o seu método, os investigadores da Empa podem sintetizar a estrutura molecular com precisão atómica, como confirmado por imagens de microscopia (em cima: microscopia de tunelamento de varrimento; em baixo: microscopia de força atómica sem contacto).
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A química orgânica, a química dos compostos de carbono, é a base de toda a vida na Terra. No entanto, os metais também desempenham um papel fundamental em muitos processos bioquímicos. Quando se trata de "casar" átomos de metais grandes e pesados com compostos orgânicos leves, a natureza recorre frequentemente a um grupo específico de estruturas químicas: as porfirinas. Estas moléculas formam um anel orgânico; no seu centro, podem ser "ancorados" iões metálicos individuais, como o ferro, o cobalto ou o magnésio.
A estrutura da porfirina constitui a base da hemoglobina no sangue humano, da clorofila fotossintética nas plantas e de numerosas enzimas. Dependendo do metal que é capturado pela porfirina, os compostos resultantes podem apresentar uma vasta gama de propriedades químicas e físicas. Os químicos e cientistas de materiais há muito que procuram explorar esta flexibilidade e funcionalidade das porfirinas, incluindo para aplicações em eletrónica molecular.
No entanto, para que os componentes electrónicos - mesmo os moleculares - funcionem, têm de estar ligados uns aos outros. Ligar moléculas individuais não é tarefa fácil. Mas foi precisamente isso que conseguiram os investigadores do laboratório nanotech@surfaces da Empa, em colaboração com químicos sintéticos do Instituto Max Planck de Investigação de Polímeros. Conseguiram ligar as porfirinas a uma nanofita de grafeno de uma forma perfeitamente precisa e bem definida. O estudo correspondente acaba de ser publicado na revista Nature Chemistry.
Uma "espinha dorsal" de carbono
As nanofitas de grafeno são tiras longas e estreitas do material bidimensional carbono grafeno. Dependendo da sua largura e da forma das suas extremidades, apresentam uma vasta gama de propriedades físicas, incluindo diferentes condutividades, magnetismo e comportamento quântico. Os investigadores da Empa utilizaram como fio molecular uma fita de apenas um nanómetro de largura com as chamadas arestas em ziguezague. Ao longo destas arestas, as moléculas de porfirina são encaixadas em intervalos perfeitamente regulares, alternando entre os lados esquerdo e direito da fita.
"A nossa fita de grafeno apresenta um tipo especial de magnetismo graças ao seu bordo em ziguezague", explica Feifei Xiang, principal autor do estudo. Os átomos metálicos das moléculas de porfirina, por outro lado, são magnéticos de uma forma mais "convencional". A diferença reside nos electrões que fornecem o spin responsável pelo magnetismo. Enquanto os electrões que transportam o spin no centro do metal permanecem localizados no átomo metálico, os electrões correspondentes na fita de grafeno "espalham-se" ao longo das duas extremidades. "Graças ao acoplamento das porfirinas à espinha dorsal do grafeno, conseguimos combinar e ligar os dois tipos de magnetismo num único sistema", explica o coautor Oliver Gröning, chefe-adjunto do laboratório nanotech@surfaces.
Este acoplamento abre muitas portas no domínio da eletrónica molecular. A fita de grafeno serve de condutor elétrico e magnético - uma espécie de "cabo" à escala nanométrica entre as moléculas de porfirina. O magnetismo correlacionado destas nanofitas de grafeno é considerado particularmente promissor para aplicações de tecnologia quântica, em que o spin subjacente ao magnetismo actua como um portador de informação. "A nossa fita de grafeno com as porfirinas poderia funcionar como uma série de qubits interligados", afirma Roman Fasel, diretor do laboratório "nanotech@surfaces".
Sentir, emitir, conduzir
Mas não é tudo: As porfirinas são também pigmentos naturais, como se vê em moléculas como a clorofila e a hemoglobina. Para os cientistas de materiais, isto significa que "os centros de porfirina são opticamente activos", diz Gröning. E a ótica é uma forma importante de interagir com as propriedades electrónicas e magnéticas destas cadeias moleculares. As porfirinas podem emitir luz cujo comprimento de onda se altera com o estado magnético de todo o sistema molecular - uma espécie de fio de luzes molecular, onde a informação pode ser lida através de subtis mudanças de cor.
O processo inverso também é possível: As porfirinas poderiam ser excitadas pela luz, influenciando assim a condutividade e o magnetismo da espinha dorsal do grafeno. Estas moléculas polivalentes podem mesmo servir de sensores químicos. As moléculas de porfirina podem ser facilmente funcionalizadas - ou seja, modificadas quimicamente através da ligação de grupos químicos específicos. Se um destes grupos adicionados se ligar a uma substância química alvo, esta interação também afecta a condutividade da fita de grafeno.
"O nosso sistema é uma caixa de ferramentas que pode ser utilizada para ajustar diferentes propriedades", afirma Fasel. A seguir, os investigadores planeiam explorar diferentes centros metálicos no interior das porfirinas e investigar os seus efeitos. Pretendem também alargar a espinha dorsal da fita de grafeno, dando ao seu sistema molecular uma base eletrónica ainda mais versátil. A síntese destas "luzes de corda" é tudo menos trivial. "Os nossos parceiros do Instituto Max Planck conseguiram produzir moléculas precursoras que consistem num núcleo de porfirina complementado por alguns anéis de carbono colocados exatamente nas posições certas", diz Gröning. Estas moléculas complexas são depois "cozidas" a várias centenas de graus Celsius sob vácuo ultra-elevado para formar as longas cadeias. Uma superfície de ouro serve de "folha de cozedura". Esta é a única forma de obter estas estruturas nanométricas finas com precisão atómica. Com o apoio da Fundação Werner Siemens, a equipa da Empa está agora a trabalhar para que estes novos materiais de conceção possam ser utilizados nas futuras tecnologias quânticas.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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