La química orgánica, la ciencia que estudia los compuestos del carbono, es fundamental para la vida en la Tierra. Sin embargo, los metales también desempeñan un papel clave en muchos procesos bioquímicos. Para combinar átomos metálicos grandes y pesados con compuestos orgánicos ligeros, la naturaleza utiliza a menudo estructuras químicas específicas llamadas porfirinas. Estas moléculas forman un anillo orgánico donde se pueden «anclar» iones metálicos individuales como hierro, cobalto o magnesio.
El marco de las porfirinas es la base de la hemoglobina en la sangre humana, la clorofila fotosintética en las plantas y numerosos enzimas. Dependiendo del metal que se integre en la porfirina, los compuestos resultantes pueden exhibir una amplia gama de propiedades químicas y físicas. Químicos y científicos de materiales han buscado durante mucho tiempo aprovechar esta versatilidad y funcionalidad de las porfirinas, especialmente para aplicaciones en electrónica molecular.
Conexiones precisas en la nanotecnología
Para que los componentes electrónicos, incluso a escala molecular, funcionen correctamente, deben estar interconectados. Este es un desafío que los investigadores del laboratorio nanotech@surfaces de Empa han logrado resolver en colaboración con químicos sintéticos del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros. Han conseguido unir porfirinas a una nanoribera de grafeno de manera perfectamente precisa y bien definida. El estudio correspondiente ha sido publicado recientemente en la revista Nature Chemistry.
Las nanoriberas de grafeno son tiras largas y estrechas del material bidimensional grafeno. Según su ancho y la forma de sus bordes, presentan una amplia variedad de propiedades físicas, que incluyen diferentes conductividades, magnetismo y comportamiento cuántico. En este caso, los investigadores utilizaron una cinta de solo 1 nanómetro de ancho con bordes en zigzag como hilo molecular. A lo largo de estos bordes, las moléculas de porfirina se acoplan a intervalos perfectamente regulares, alternando entre los lados izquierdo y derecho de la cinta.
Este acoplamiento abre muchas posibilidades en el campo de la electrónica molecular. La cinta de grafeno actúa como un conductor eléctrico y magnético, funcionando como un «cable» a escala nanométrica entre las moléculas de porfirina. El magnetismo correlacionado de estas nanoriberas de grafeno se considera particularmente prometedor para aplicaciones en tecnología cuántica, donde el spin subyacente al magnetismo actúa como portador de información.
Además, las porfirinas son pigmentos naturales, como se observa en moléculas como la clorofila y la hemoglobina. Esto implica que los centros de porfirina son ópticamente activos, lo que permite interactuar con las propiedades electrónicas y magnéticas de estas cadenas moleculares. Las porfirinas pueden emitir luz cuya longitud de onda varía con el estado magnético del sistema molecular completo, lo que se asemeja a una cadena molecular de luces, donde la información podría leerse mediante sutiles cambios de color.
El proceso de síntesis de estas estructuras «iluminadas» no es trivial. Los socios del Instituto Max Planck lograron producir moléculas precursoras que consisten en un núcleo de porfirina complementado por algunos anillos de carbono colocados en posiciones exactas. Estas moléculas complejas se «hornean» a varios cientos de grados Celsius bajo vacío ultra alto para formar largas cadenas. Una superficie de oro actúa como la «bandeja de hornear». Esta es la única forma de lograr estas estructuras de nanómetros con precisión atómica. Actualmente, el equipo de Empa trabaja para que estos materiales diseñados sean utilizables en futuras tecnologías cuánticas.
