Afinidad electrónica desatada: las sorprendentes capacidades químicas de los fragmentos planos de fullereno

May 16, 2023

Por Universidad de Kyoto 22 de junio de 2023

Incluso sin la simetría y curvatura de los fullerenos, los fragmentos planos de fullerenos diseñados que mantenían la subestructura pentagonal mostraban las mismas propiedades de aceptación de electrones que los fullerenos. Crédito: YAP Co., Ltd.

Los fragmentos de moléculas esféricas de 'Buckyball' tienen una capacidad estable de aceptación de electrones con un gran potencial práctico.

Researchers at Kyoto University in Japan have gained new insights into the unique chemical properties of spherical molecules composed entirely of carbon atoms, called fullerenes. They did it by making flat fragments of the molecules, which surprisingly retained and even enhanced some key chemical properties. The team published their findings in the journal Nature Communications<em>Nature Communications</em> is a peer-reviewed, open-access, multidisciplinary, scientific journal published by Nature Portfolio. It covers the natural sciences, including physics, biology, chemistry, medicine, and earth sciences. It began publishing in 2010 and has editorial offices in London, Berlin, New York City, and Shanghai. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Comunicaciones de la naturaleza.

“Our work could lead to new opportunities in a wide range of applications, such as semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">semiconductores, dispositivos de conversión fotoeléctrica, baterías y catalizadores”, dice la líder del grupo Aiko Fukazawa en el Instituto de Ciencias Integradas de Materiales Celulares (iCeMS).

El buckminsterfullereno (o simplemente 'buckyball') es una molécula en la que 60 átomos de carbono están unidos para formar una forma esférica. Debe su nombre a las similitudes estructurales con las cúpulas geodésicas diseñadas por el célebre arquitecto Buckminster Fuller, y su estructura única ha atraído continuamente el interés de los científicos. El buckminsterfullereno y los grupos de carbono esféricos relacionados con diferentes números de átomos de carbono se conocen coloquialmente como fullerenos, por el apellido de Fuller. Una de sus características más intrigantes es la capacidad de aceptar electrones, un proceso conocido como reducción. Debido a su carácter aceptor de electrones, los fullerenos y sus derivados han sido ampliamente investigados como materiales transportadores de electrones en transistores orgánicos de película delgada y sistemas fotovoltaicos orgánicos. Sin embargo, los fullerenos son una clase anómala de materiales en comparación con cualquier otro aceptor de electrones orgánico convencional, debido a su robustez a la hora de aceptar múltiples electrones.

Los químicos teóricos han propuesto tres posibles factores que podrían estar detrás de la capacidad del fullereno para aceptar electrones: la alta simetría de toda la molécula, sus átomos de carbono con enlaces dispuestos piramidales y la presencia de subestructuras pentagonales distribuidas en anillos de seis miembros.

El equipo de Kioto se centró en la influencia de los anillos pentagonales. Diseñaron y sintetizaron fragmentos aplanados de fullereno y confirmaron experimentalmente que estas moléculas podían aceptar hasta un número de electrones igual al número de anillos de cinco miembros en su estructura sin descomponerse.

"Este sorprendente descubrimiento resalta la importancia crucial de la subestructura pentagonal para generar sistemas estables de aceptación de múltiples electrones", dice Fukazawa.

Los experimentos también revelaron que los fragmentos muestran una absorbancia mejorada de la luz ultravioleta, visible e infrarroja cercana en comparación con una absorbancia más limitada del propio fullereno. Esto podría abrir nuevas posibilidades en fotoquímica, como el uso de la luz para iniciar reacciones químicas o el desarrollo de sensores de luz o sistemas de energía solar.

El equipo ahora explorará las posibilidades que tienen sus fragmentos planos de fullereno en la gran variedad de aplicaciones asociadas con los procesos de transferencia de electrones. Es inusual obtener una capacidad tan alta de aceptación de electrones en moléculas compuestas únicamente de carbono, evitando el requisito típico de introducir otros átomos o grupos funcionales aceptores de electrones en una estructura basada en carbono. Sin embargo, continuar explorando los efectos de la incorporación de otros átomos o grupos químicos podría generar control adicional y versatilidad en las propiedades químicas.

"Esperamos ser pioneros en la ciencia y la tecnología de lo que llamamos hidrocarburos superaceptores de electrones, aprovechando su alto grado de libertad para explorar los efectos de las modificaciones estructurales", dice Fukazawa.

Referencia: “Fragmentos 1D aplanados de fullereno C60 que exhiben robustez hacia la reducción de múltiples electrones” por Masahiro Hayakawa, Naoyuki Sunayama, Shu I. Takagi, Yu Matsuo, Asuka Tamaki, Shigehiro Yamaguchi, Shu Seki y Aiko Fukazawa, 15 de mayo de 2023, Nature Comunicaciones.DOI: 10.1038/s41467-023-38300-3