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Martes, 15 noviembre 2016
Ciencia de los Materiales

La forma determina las propiedades electrónicas en una fascinante clase de materiales

Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs, por sus siglas en inglés) forman una importante clase de moléculas, que pueden ser consideradas como pequeñas variedades del grafeno y que pueden desempeñar un papel destacado en el desarrollo de la electrónica orgánica. Unos científicos de la Universidad de Ámsterdam en los Países Bajos, la Universidad Radboud en la ciudad neerlandesa de Nimega, y la FOM (la Fundación Neerlandesa para la Investigación Fundamental sobre la Materia) muestran ahora que las estructuras del borde de estas moléculas aparentemente similares son responsables de espectaculares diferencias en las propiedades de transporte, lo que abre nuevas y prometedoras perspectivas en el diseño de nuevos materiales.

 

Los PAHs están hecho de anillos de carbono hexagonales conectados. Son útiles para producir materiales destinados a nuevos superconductores en la escala molecular, pero también tienen interés astrofísico como una fracción sustancial del carbono interestelar que se cree albergan estas moléculas tan estables.

 

Sea cual sea el ámbito de investigación con los PAHs, es importante adquirir el suficiente conocimiento sobre la distribución de electrones y su relación con los rasgos topológicos de los PAHs. Ya se sospechaba que la forma exacta en que están unidos los anillos de carbono (la topología de la molécula) podía desempeñar un papel principal aquí, pero no estaba claro cómo. Gracias a experimentos espectroscópicos avanzados en el Laboratorio FELIX de la Universidad Radboud, el equipo del físico Héctor Álvaro Galué ha mostrado que la topología determina cómo está vinculada la distribución de electrones a la dinámica vibratoria del esqueleto de carbono.

 

Usando un láser de electrones libres en la citada universidad, Galué determinó el espectro vibratorio de dos iones PAH cargados positivamente que consisten en cinco hexágonos conectados. El pentaceno posee una estructura de borde en zigzag, mientras que la del piceno se describe comúnmente como parecida a la forma de un sillón. Inesperadamente, una comparación del espectro infrarrojo de los dos iones PAH puso de manifiesto diferencias de gran intensidad para las vibraciones de ambos.

 

[Img #39860]

 

El desplazamiento antisimétrico dipolar de carga (pi flux) es proporcional a la actividad infrarroja de ambas moléculas, piceno (en naranja) y pentaceno (en morado). En el piceno dicha carga dipolar induce una mayor actividad infrarroja la cual se manifiesta en la doble intensidad (beta asterisco) de la banda multifotónica de absorción infrarroja en comparación con el pentaceno. (Imagen: los autores del estudio / Nature Communications)

 

La aproximación de Born-Oppenheimer, bien conocida entre los físicos moleculares, constituye una separación estricta entre el movimiento nuclear y el electrónico. Sin embargo, las diferencias descritas en el espectro vibratorio del pentaceno y el piceno muestran lo contrario. Durante la primera parte de una vibración, un lado de la molécula tiene una densidad de electrones superior a la de la otra mitad. Durante la segunda parte de la vibración, la situación se invierte: la mayor densidad de electrones pasa a ese lado. La situación es comparable con un contenedor lleno de agua que se inclina periódicamente, haciendo que esta se mueva de un lado a otro. La “agitación” de la densidad de electrones (el flujo de electrones) mejora la absorción de luz infrarroja en la frecuencia específica de los átomos de carbono en vibración.

 

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