Investigadores de IBM logran fabricar el trianguleno

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Las moléculas inestables, como el trianguleno, no se pueden fabricar con las técnicas de síntesis química convencionales. Desde 1953, todos los intentos han sido fallidos, sintetizando dihidrotrianguleno en su lugar. Investigadores de IBM han fabricado una molécula de trianguleno por deshidrogenación del dihidrotrianguleno. Para ello han usado cirugía molecular mediante un microscopio combinado de efecto túnel y de fuerza atómica (STM/AFM). El trianguleno es una molécula magnética que puede tener aplicaciones en espintrónica y en computación cuántica.

El trianguleno tiene está formado por seis hexágonos de carbono unidos por sus lados para formar un triángulo. Se parece a un triángulo de grafeno, pero se diferencia en que hay dos electrones no aparejados. Estos electrones son los responsables de que esta molécula sea muy inestable y se oxide con extrema rapidez. Pero sus espines la dotan de propiedades magnéticas muy interesantes (estados ferromagnéticos y antiferromagnéticos según su orientación).

El artículo es Niko Pavliček, Anish Mistry, …, Leo Gross, “Synthesis and characterization of triangulene,” Nature Nanotechnology (13 Feb 2017), doi: 10.1038/nnano.2016.305; más información en Manuel Melle-Franco, “Graphene fragments: When 1 + 1 is odd,” Nature Nanotechnology (13 Feb 2017), doi: 10.1038/nnano.2017.9; me he enterado gracias a Philip Ball, “Elusive triangulene created by moving atoms one at a time,” News, Nature, 13 Feb 2017. También recomiendo Niko Pavliček, Leo Gross, “Generation, manipulation and characterization of molecules by atomic force microscopy,” Nature Reviews Chemistry 1: 0005 (2017), doi: 10.1038/s41570-016-0005.

Esta entrada participa en la LXII edición del Carnaval de Química, alojada en el blog ‘Huele a Química‘ de @hueleaquimica. El protagonista de esta edición es el samario (Sm), el elemento número 62 de la tabla periódica, y el sexto elemento de la serie de los Lantánidos.

Dibujo20170210 3D simulation of triangulene on a copper surface

El trianguleno (C22H12) es una molécula de tipo birradical. Las reglas empíricas del enlace químico fueron descritas por Gilbert N. Lewis en su libro “The Atom and the Molecule” (1916). Resumiendo mucho, los enlaces están formados por parejas de electrones de átomos diferentes. Lewis describió la existencia de moléculas impares, hoy llamadas radicales, moléculas en las que el número de electrones es impar, con un electrón que no está enlazado. También existen moléculas birradicales, que tienen un número par de electrones, pero en las que dos electrones están tan alejados que no se pueden aparear y por ello se comportan con una molécula con dos electrones impares.

Dibujo20170213 Triangulene and graphene nature nnano 2017 9

El trianguleno se puede interpretar como un trozo de grafeno con seis hexágonos. Se puede clasificar como un hidrocarburo aromático polinuclear. En muchas ocasiones se destaca que no es una molécula con una estructura clásica de Kekulé (a veces se dice que es una molécula no-Kekulé).

Dibujo20170213 Triangulene and related graphene fragments nature nnano 2017 9

El trianguleno tiene propiedades magnéticas por razones topológicas gracias a dos electrones π. Al dividir el trinaguleno en dos trozos, siempre un trozo tiene dos átomos de carbono más que el otro, luego tiene dos electrones π que no se pueden aparear. Los espines de estos dos electrones tienen dos posibles orientaciones: un estado singlete (antiferromagnético) y otro triplete (ferromagnético). Por ello es un buen candidato en espintrónica y en computación cuántica.

Dibujo20170213 Characterization of triangulene on Cu and Xe nature nnano 2016 305_F3

En el nuevo trabajo de síntesis se ha colocado una molécula de dihidrotrianguleno sobre superficies de cobre Cu(111), cloruro de sodio, NaCl(100) y xenón Xe(111). Para la síntesis del trianguleno se acerca la punta del microscopio a una distancia entre 0,5–0,7 nm de los átomos de hidrógeno del dihidrotrianguleno, para limitar la corriente túnel a unos pocos picoamperios. Luego se incrementa el voltaje hasta entre 3,5 y 4,1 V durante varios segundos. En muchos casos el átomo de hidrógeno se desprende de la molécula (el enlace C–H tiene una energía de disociación de 3,4 eV en el CH2 y de 4,8 eV en el benzeno). Repitiendo el proceso dos veces, aunque no siempre, se logra fabricar el trianguleno. La confirmación del éxito del proceso se observa al microscopio a posteriori. Además, se ha realizado una caracterización detallada de la estructura electrónica del trianguleno, para confirmar las predicciones teóricas según la teoría del densidad funcional.

En resumen, la síntesis del trianguleno en un sustrato precederá a la síntesis de varios triangulenos en el mismo sustrato. Las interacciones entre los dos espines de cada trianguleno con los de otros triangulenos cercanos promete ser explotado en el diseño de sistemas de espintrónica o computación cuántica. Sin lugar a dudas un avance muy prometedor.

3 Comentarios

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benjaminbenjamin

significa que con este metodo se pueden contruir a medida cualquier tipo de moleculas? es posible una produccion en masa de moleculas a medida? por lo menos las estables?

Francisco R. Villatoro

No, Benjamin, la síntesis de moléculas una a una, a mano, usando el microscopio STM/AFM, aún está más próximo al arte que a la industria (quizás algún día un robot sustituya a un humano, pero aún está muy lejos ese día). Y solo se pueden construir ciertas moléculas inestables (el trianguleno ha sido toda una sorpresa).

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