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Aug 09, 2023

I ricercatori producono polimeri da ballbot

La sintesi chimica in superficie in condizioni estremamente pulite consente la sintesi controllata di polimeri N-eterociclici di tipo ballbot Immagine dell'Università di Münster: vista laterale della struttura - ottimizzata

La sintesi chimica sulla superficie in condizioni estremamente pulite consente la sintesi controllata di polimeri di tipo ballbot N-eterociclici

Università di Münster

immagine: vista laterale della struttura – ottimizzata utilizzando la teoria del funzionale della densità della meccanica quantistica – di una catena di molecole di tipo ballbotvedere di più

Credito: Università di Münster – Gruppo Doltsinis

I carbeni N-eterociclici (NHC) sono piccole molecole ad anello reattive che si legano bene alle superfici metalliche e che, negli ultimi anni, hanno suscitato grande interesse nel campo della modificazione chimica stabile delle superfici metalliche. Una proprietà – scoperta qualche anno fa all’Università di Münster in Germania – è la capacità di alcuni derivati ​​NHC non solo di ancorarsi ai singoli atomi di metallo, ma anche di estrarre completamente un singolo atomo dalla superficie. Legatisi con i cosiddetti adatomi, gli NHC scivolano liberamente sulla superficie, come un ballbot, cioè un robot che si muove su una sfera. Utilizzando tali "molecole ballbot" e in collaborazione con ricercatori cinesi, i fisici e i chimici di Münster sono riusciti per la prima volta a far sì che gli NHC alogenati producano polimeri mobili a catena lunga – cioè catene di molecole – su superfici metalliche. I dettagli del lavoro sono stati pubblicati sulla rivista Nature Chemistry.

La mobilità degli NHC di tipo ballbot apre nuove possibilità, ad esempio l'autoassemblaggio di questo tipo di molecole in domini altamente ordinati, fino al comportamento cooperativo di tipo sciame da parte degli NHC nella conversione autonoma di determinate superfici metalliche in un diversa struttura altamente ordinata senza alcuna influenza esterna come luce o elettroni. "Oltre all'auto-organizzazione, questi polimeri ballbot sono molto promettenti per nuove applicazioni nella nanoelettronica, nella funzionalizzazione delle superfici e nella catalisi", afferma il prof. Harald Fuchs, professore senior presso l'Istituto di fisica dell'Università di Münster e direttore scientifico del Centro di nanotecnologia ( CeNTech) a Münster.

Gli NHC possono essere facilmente modificati nei gruppi di azoto (N) del corpo eterociclico quintuplo delle molecole. Di conseguenza, ciò rende possibile non solo influenzare l’interazione elettronica tra i carbeni e gli atomi di una superficie metallica – ad esempio l’oro – ma anche controllare l’allineamento dei carbeni verticalmente o parallelamente ad una superficie. Una particolarità degli NHC alogenati utilizzati, sviluppati presso l'Istituto di chimica organica dell'Università di Münster, è la loro capacità di formare spontaneamente adatomi su metalli nobili e la mobilità che ne deriva. Questo è un prerequisito per il loro incontro e per la reazione con altri sistemi reattivi sulla superficie.

"Un fattore decisivo per il successo degli esperimenti è stato l'equilibrio tra la reattività chimica delle unità strutturali monomeriche e la loro mobilità", afferma l'autore principale, il Prof. Jindong Ren, ex ricercatore post-dottorato nel gruppo del Prof. Harald Fuchs e ora preside ricercatore (PI) e capogruppo presso il Centro nazionale per le nanoscienze e la tecnologia (NCNST) della Cina. Da un lato i monomeri possono muoversi facilmente sulla superficie grazie alla loro proprietà ballbot; d'altro canto, il tempo di contatto che hanno le parti coinvolte nella reazione deve essere sufficientemente lungo perché la reazione avvenga. Ciò avviene soprattutto attraverso la struttura molecolare e un'adeguata impostazione della temperatura durante l'esperimento.

Il controllo delle reazioni chimiche e la prova dei prodotti di reazione desiderati nel campo della chimica di precisione per le superfici richiedono esperimenti preparativi e analitici altamente specializzati che consentano di osservare le interazioni molecolari sulle superfici e le singole fasi di reazione su scala submolecolare. A questo scopo, i ricercatori del CeNTech, dell’NCNST e del Centro nazionale per la fisica della materia condensata e dell’Istituto di fisica di Pechino hanno utilizzato metodi di microscopia con sonda a scansione (STM e nc-AFM), nonché la spettroscopia di fotoemissione, per chiarire il legame chimico che avviene e per fornire prove delle strutture del ballbot. I risultati sperimentali sono stati integrati da elaborate simulazioni al computer presso l'Istituto di teoria dello stato solido dell'Università di Münster, basate su approcci di meccanica quantistica e campi di forza reattivi. In questo modo hanno confermato i risultati sperimentali e quantificato le proprietà elettroniche e strutturali dei polimeri dei ballbot.