agosto 16, 2022

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Al borde del agua: material de autoensamblaje 2D

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Imagen: Esta imagen muestra la formación de la segunda capa en una nanohoja de coordinación heterogénea. Los iones de cobalto atraviesan la primera capa preexistente (compuesta por centros de coordinación de hierro y enlaces terpiridínicos), que se forma en la interfase líquido-líquido entre el agua y el diclorometano. Luego se reúnen en capas simétricas al fusionarse con enlaces terpiridínicos.
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Crédito: Hiroshi Nishihara de la Universidad de Ciencias de Tokio

Las últimas décadas han visto una gran cantidad de investigación en el campo de los materiales bidimensionales (2D). Como su nombre lo indica, estos materiales similares a películas delgadas consisten en capas de no más de unos pocos átomos de espesor. Se pueden ajustar muchas propiedades químicas y físicas de los materiales 2D, lo que lleva a aplicaciones prometedoras en muchos campos, incluidos la optoelectrónica, la catálisis, la energía renovable y más.

Las nanohojas de coordinación son un tipo particularmente interesante de material 2D. «Coordinación» se refiere al efecto de los iones metálicos en estas moléculas, que actúan como centros de coordinación. Estos centros pueden crear automáticamente arreglos moleculares ordenados que abarquen múltiples capas en materiales bidimensionales. Esto ha atraído la atención de los científicos de materiales debido a sus propiedades preferidas. De hecho, solo estamos comenzando a arañar la superficie con respecto a lo que Heterogéneo Las nanohojas de coordinación pueden presentar nanohojas de coordinación cuyas capas tienen diferente composición atómica.

En un estudio reciente Publicado por primera vez el 13 de junio de 2022 y presentado en la portada de Química — Revista Europea, un equipo de científicos de la Universidad de Ciencias de Tokio (TUS) y la Universidad de Tokio en Japón han informado sobre un método notablemente simple para ensamblar nanoláminas para coordinar capas heterogéneas. Compuestas por un ligando orgánico, terpiridina, hierro coordinado y cobalto, estas nanoláminas se forman en la interfaz entre dos líquidos inmiscibles de una manera extraña. El estudio, que fue dirigido por el profesor Hiroshi Nishihara de TUS, incluyó contribuciones del Sr. Joe Komeda, el Dr. Kenji Takada, el Dr. Hiroaki Maeda y el Dr. Naoya Fukui de TUS.

Para ensamblar las nanoláminas de coordinación heterogénea, el equipo primero creó una interfaz líquido-líquido para permitir su ensamblaje. Disolvieron el ligando tris(terpidina) en diclorometano (CH .).2cl2), un líquido orgánico que no se mezcla con agua. Luego vertieron una solución de agua y tetrafluoroborato ferroso, un químico que contiene hierro, sobre CH2cl2. Después de 24 h, la primera capa de la nanolámina de coordinación, hierro-bis(terpidina) (o “Fe-tpy”), se formó en la interfaz entre los dos líquidos.

Luego, quitaron el agua que contenía hierro y la reemplazaron con agua que contenía cobalto. En los días siguientes, se formó una capa repetida de cobalto (o «Co-tpy») directamente debajo de la capa que contiene hierro en la interfaz líquido-líquido.

El equipo realizó observaciones detalladas de la capa heterogénea utilizando varias técnicas avanzadas, como microscopía electrónica de barrido, espectroscopía de rayos X, microscopía de fuerza atómica y microscopía electrónica de transmisión. Descubrieron que la capa Co-tpy se formó precisamente debajo de la capa Fe-tpy en la interfaz líquido-líquido. Además, pueden controlar el grosor de la segunda capa dependiendo de cuánto tiempo dejen que el proceso de síntesis siga su curso.

Curiosamente, el equipo también descubrió que el orden de las capas se puede alterar simplemente cambiando el orden de los pasos de ajuste. En otras palabras, si primero agregan una solución que contiene cobalto y luego la reemplazan con una solución que contiene hierro, la capa heterogénea compuesta tendrá centros de coordinación de cobalto en la capa superior y centros de coordinación de hierro en la capa inferior. «Nuestros resultados indican que los iones metálicos pueden pasar a través de la primera capa de la fase acuosa hacia CH2cl2 Una etapa para la reacción con trabideno terpiridina en el límite entre la nanoplaca y CH2cl2 Escenario,El profesor Nishihara explica. «Esta es la primera ilustración de la dirección de crecimiento de las nanoplacas de coordinación en una interfaz líquido/líquido.«

Además, el equipo investigó las propiedades redox de las nanoplacas de coordinación, así como las propiedades de rectificación eléctrica. Encuentran que las capas heterogéneas se comportan como un diodo de una manera que corresponde a los niveles de energía electrónica de Co-tpy y Fe-tpy. Estas ideas, junto con un sencillo procedimiento de síntesis desarrollado por el equipo, podrían ayudar en el diseño de nanohojas de capas heterogéneas hechas de otros materiales y diseñadas para aplicaciones electrónicas específicas. «Nuestro método sintético puede ser aplicable a otros polímeros de coordinación que se sintetizan en interfaces líquido-líquido,Destaca el profesor Nishihara. «Por lo tanto, los resultados de este estudio ampliarán la diversidad estructural y funcional de los materiales moleculares 2D.«

Con un enfoque en el futuro, el equipo continuará investigando los fenómenos químicos que ocurren en las interfaces líquido-líquido, dilucidando los mecanismos de transferencia de masa y reacciones químicas. Sus hallazgos podrían ayudar a ampliar el diseño de materiales 2D y, con suerte, conducir a un mejor rendimiento de los dispositivos optoelectrónicos, como las células solares.

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referencia

DOI: https://doi.org/10.1002/chem.202201316

Alrededor Universidad de Ciencias de Tokio

La Universidad de Ciencias de Tokio (TUS) es una universidad muy conocida y respetada, y la mayor universidad privada de investigación especializada en ciencias de Japón, con cuatro campus en el centro y los suburbios de Tokio y en Hokkaido. Fundada en 1881, la universidad ha contribuido continuamente al desarrollo de Japón en el campo de la ciencia inculcando el amor por la ciencia en investigadores, técnicos y profesores.

Con la misión de «crear ciencia y tecnología para el desarrollo armonioso de la naturaleza, el ser humano y la sociedad», TUS ha realizado una amplia gama de investigaciones desde las ciencias básicas hasta las aplicadas. TUS ha adoptado un enfoque interdisciplinario para la investigación y ha realizado estudios extensos en algunas de las áreas más vitales de la actualidad. TUS es un sistema de méritos donde se reconocen y fomentan las mejores ciencias. Es la única universidad privada en Japón que produce un ganador del Premio Nobel y la única universidad privada en Asia que produce ganadores del Premio Nobel en el campo de las ciencias naturales.

sitio web: https://www.tus.ac.jp/en/mediarelations/

Acerca del profesor Hiroshi Nishihara de la Universidad de Ciencias de Tokio

El Dr. Hiroshi Nishihara es profesor de química en la Universidad de Ciencias de Tokio, Japón. Es un distinguido profesor, investigador y pionero en el campo de la electroquímica y la síntesis de polímeros metálicos conductores complejos. Su investigación se centra en la creación de nuevos materiales eléctricos y fotofuncionales que involucran metales de transición y cadenas conjugadas, así como en la invención de sistemas de transporte de electrones unidireccionales utilizando interfaces de capas moleculares. Ha publicado más de 467 artículos con más de 14.911 citas en su haber.

información financiera

Este estudio fue apoyado financieramente por JST-CREST JPMJCR15F2, JSPS KAKENHI (número de subvención JP19H05460) y White Rock Foundation.


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