Las máquinas moleculares artificiales, máquinas a nanoescala que constan de unas pocas moléculas, ofrecen el potencial de transformar campos relacionados con la catálisis, la electrónica molecular, la medicina y los materiales cuánticos. Estas máquinas funcionan convirtiendo estímulos externos, como señales eléctricas, en movimiento mecánico a nivel molecular. El ferroceno, una molécula especial con forma de tambor compuesta por un átomo de hierro (Fe) intercalado entre dos anillos de carbono de cinco miembros, es una molécula base prometedora para la maquinaria molecular. Su descubrimiento ganó el Premio Nobel de Química en 1973 y desde entonces se ha convertido en la base para el estudio de las máquinas moleculares.
Lo que hace que el ferroceno sea tan atractivo es su propiedad única: la transición del ion Fe al ion Fe en su estado electrónico.+2 de fe+3, Sus dos anillos de carbono giran unos 36° alrededor del eje molecular central. Controlar este estado electrónico mediante una señal eléctrica externa puede permitir una rotación molecular controlada con precisión. Sin embargo, un obstáculo importante para su aplicación práctica es que se descompone fácilmente incluso en condiciones de vacío ultraalto, cerca de la temperatura ambiente, especialmente cuando se adsorbe en la superficie de capas planas de metales nobles. Hasta el momento no se ha encontrado un método específico para anclar moléculas aisladas de ferroceno a superficies sin descomposición.
En un estudio innovador, un equipo de investigación dirigido por el profesor asociado Toyo Kazu Yamada de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad de Chiba en Japón, incluido el profesor Peter Krueger de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Chiba, el profesor Satoshi Kera del Instituto de Ciencias Moleculares, Japón, y el profesor Masaki de la Universidad Nacional Tsing Hua de Taiwán, Hori finalmente supera este desafío. Han construido con éxito la máquina molecular controlada eléctricamente más pequeña del mundo. “En este estudio, inmovilizamos y adsorbimos con éxito moléculas de ferroceno en una superficie de metal noble recubriéndolas previamente con una película molecular de éter corona bidimensional. Esta es la primera evidencia experimental directa del movimiento molecular basado en ferroceno a escala atómica. ” comenta el profesor Yamada. Sus resultados fueron publicados en la revista Small el 30 de noviembre de 2024.
Para estabilizar las moléculas de ferroceno, el equipo primero las modificó añadiendo sales de amonio para formar sales de amonio de ferroceno (FC-AMM). Esto mejoró la estabilidad y aseguró que las moléculas pudieran inmovilizarse de forma segura en las superficies del sustrato. Luego, estas nuevas moléculas se anclaron a una película monocapa hecha de moléculas cíclicas de éter corona, que se colocó sobre un sustrato plano de cobre. Las moléculas cíclicas del éter corona tienen una estructura única con un anillo central que puede contener varios átomos, moléculas e iones. El profesor Yamada explica: “Anteriormente, descubrimos que la molécula cíclica del éter corona puede formar una película monocapa sobre un sustrato metálico plano. Esta monocapa atrapa el ion amonio de la molécula Fc-amm en el anillo central de la molécula del éter corona, evitando la La descomposición del ferroceno contra el sustrato metálico actúa como un escudo.
A continuación, el equipo colocó una sonda de microscopía de efecto túnel (STM) sobre la molécula de Fc-amm y aplicó un voltaje eléctrico, lo que provocó un movimiento deslizante lateral de la molécula. Específicamente, cuando se aplica un voltaje de −1,3 V, un hueco (la vacante que deja un electrón) cambia del Fe y entra en la estructura electrónica del ion Fe.2+ de fe3+ estado desencadena la rotación de los anillos de carbono con el movimiento de deslizamiento lateral de la molécula. Los cálculos de la teoría funcional de la densidad muestran que este movimiento de deslizamiento lateral es causado por la repulsión de Coulomb entre iones Fc-amm cargados positivamente. Es importante destacar que, después de eliminar el voltaje, la molécula vuelve a su posición original, lo que demuestra que el movimiento es reversible y puede controlarse con precisión mediante señales eléctricas.
“Esta investigación abre posibilidades interesantes para las máquinas moleculares basadas en ferroceno. Su capacidad para realizar funciones especializadas a nivel molecular podría conducir a innovaciones revolucionarias en muchos campos científicos e industriales, incluida la medicina de precisión, los materiales inteligentes y la fabricación avanzada”, afirmó el Prof. Yamada, destacó las posibles aplicaciones de su tecnología.