Un equipo de investigadores do Centro Singular de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares da USC (CiQUS) desenvolveu unha nova estratexia para obter estruturas orgánicas covalentes (COF) con propiedades semicondutoras sen recorrer á dopaxe química, unha metodoloxía que podería abrir novas posibilidades para o desenvolvemento de materiais destinados a aplicacións electrónicas e de almacenamento de enerxía.
Os COF (Covalent Organic Frameworks) son materiais formados por moléculas orgánicas conectadas mediante ligazóns covalentes que xeran estruturas ordenadas, cristalinas e con poros de tamaño nanométrico. Esta combinación de propiedades convérteos en materiais de interese para aplicacións que van desde a electrónica e os sensores ata o almacenamento de enerxía. Con todo, conseguir que estes materiais conduzan a electricidade de forma eficiente presenta un reto: habitualmente é necesario introducir substancias externas —os chamados dopantes— que achegan os portadores de carga necesarios para xerar condutividade. Este proceso pode alterar a estrutura do material, reducindo a súa cristalinidade, porosidade e estabilidade.
O traballo desenvolvido no CiQUS propón unha alternativa: incorporar directamente na estrutura do COF moléculas radicalarias capaces de achegar portadores de carga, evitando así a necesidade de engadir dopantes despois da súa síntese. Para iso, os investigadores utilizaron como bloques de construción radicais orgánicos neutros de trioxotrianguleno (TOT), unhas moléculas caracterizadas por unha elevada deslocalización do espín e unha notable estabilidade.
A estratexia permitiu obter un COF cristalino que presenta comportamento semicondutor e unha condutividade eléctrica a temperatura ambiente entre as máis elevadas descritas ata o de agora para COF neutros e non dopados. Ao mesmo tempo, o material conserva unha elevada porosidade, cunha superficie específica superior a 1.200 m² por gramo.
Unha estratexia para deseñar novos materiais funcionais
Unha das claves do traballo é que os radicais TOT non actúan simplemente como un compoñente engadido ao material, senón que forman parte da súa propia estrutura molecular. Os seus electróns desapareados poden xerar portadores de carga sen necesidade de introducir contraións ou outras especies químicas externas. Ademais, a disposición ordenada destas unidades dentro da estrutura favorece o transporte de carga a través do material.
O resultado é especialmente relevante porque permite combinar características que non sempre son doaaos de manter simultaneamente: condutividade eléctrica, cristalinidade e porosidade. O estudo demostra ademais que a estrutura pode modificarse mediante a elección de distintos compoñentes e ligazóns, abrindo un espazo de deseño para axustar as propiedades electrónicas destes materiais.
Esta versatilidade podería resultar de interese no futuro para o desenvolvemento de materiais destinados a electrónica, espintrónica, sensores, dispositivos electroquímicos e almacenamento de enerxía. En particular, a presenza de unidades de TOT, que poden aceptar electróns de forma reversible, apunta tamén a posibles aplicacións como materiais activos en baterías. Trátase, no entanto, de liñas de traballo que deberán ser exploradas en investigacións posteriores.
A colaboración entre grupos, un elemento clave
O estudo é tamén un exemplo das sinerxías entre distintas capacidades de investigación do CiQUS. No traballo participan investigadores dos grupos liderados por Manuel Souto, Diego Peña e Francisco Rivadulla, que contribuíron desde diferentes perspectivas ao deseño, síntese, caracterización e estudo das propiedades dos novos materiais. A investigación incorpora ademais a colaboración de investigadores do CICECO-Aveiro Institute of Materials da Universidade de Aveiro, en Portugal. O CiQUS conta co recoñecemento CIGUS da Xunta de Galicia, que acredita a calidade e impacto da súa investigación, e coa acreditación María de Maeztu como Unidade de Excelencia. Ademais recibe apoio financeiro da Unión Europea a través do Programa Galicia FEDER 2021-2027.
Referencia: Semiconducting Covalent Organic Frameworks Based on Spin-Delocalized Trioxotriangulene Neutral Radicals (Publicado en Angewandte Chemie International Edition)
