Os pesquisadores demonstram alta condutância elétrica para um complexo de níquel anti-aromático - uma ordem de magnitude maior do que para um complexo aromático semelhante. Uma vez que a condutância também é ajustável por portas eletroquímicas, complexos anti-aromáticos são materiais promissores para futuros dispositivos eletrônicos.

Os materiais orgânicos geralmente têm um custo de produção menor do que os condutores elétricos tradicionais, como metais e semicondutores. Nem todos os sistemas orgânicos conduzem eletricidade bem, Contudo. Uma classe de materiais orgânicos conhecidos como compostos anti-aromáticos - apresentando anéis planares de átomos de carbono compartilhando um número de elétrons que é múltiplo de quatro - foram considerados condutores excelentes, mas essa previsão tem sido difícil de verificar, uma vez que as moléculas anti-aromáticas são geralmente instáveis. Agora, Shintaro Fujii e Manabu Kiguchi do Instituto de Tecnologia de Tóquio e colegas realizaram um estudo sistemático de transporte de carga em um único, molécula anti-aromática estável. Em comparação com uma molécula aromática estruturalmente relacionada (onde os anéis de carbono compartilham dois elétrons extras), sua condutância elétrica recorde é uma ordem de magnitude mais alta.

Os pesquisadores estudaram um complexo particular de níquel à base de norcorrol, Ni (nor), que é anti-aromático, mas estável, e um aromático estruturalmente semelhante, complexo de níquel à base de porfirina, Ni (porph). Eles mediram as condutividades dos dois compostos por meio da técnica de quebra-junção de microscopia de tunelamento de varredura; em tal configuração, a corrente através de uma única molécula ensanduichada entre duas partes de uma junção quebrada é medida como uma função da voltagem aplicada. Com uma condutância de mais de 4 ^10–4 quanta de condutância, Ni (nor) é o complexo organometálico mais condutivo conhecido. Descobriu-se que o Ni (porph) tem um valor cerca de 25 vezes menor, um resultado que confirma a condutividade superior das moléculas anti-aromáticas. Por meio de cálculos teóricos da estrutura eletrônica das moléculas e propriedade de transporte de carga, os cientistas foram capazes de identificar a origem da condutância aprimorada com antiaromaticidade:para Ni (nor), o orbital molecular mais baixo desocupado fica mais perto do nível de Fermi (a quantidade de trabalho necessária para adicionar um elétron ao sistema) do que para Ni (porph).

Fujii e colegas também conseguiram demonstrar a capacidade de ajuste da condutância de uma única molécula de Ni (nor). Ao aplicar uma técnica conhecida como passagem eletroquímica, que permite controlar os níveis de energia molecular em relação ao nível de Fermi dos eletrodos de fonte e dreno (da junção de molécula única), variando um potencial eletroquímico aplicado, os pesquisadores demonstraram uma modulação de 5 vezes da condutância do Ni (nor).

As descobertas de Fujii e colegas mostram que os materiais anti-aromáticos são sistemas promissores de baixo custo exibindo alta condutância elétrica. Nas palavras dos pesquisadores, seu estudo "fornece diretrizes relevantes para o projeto de materiais moleculares para componentes eletrônicos de molécula única altamente condutores.

Fundo

Aromaticidade e antiaromaticidade

As moléculas orgânicas são chamadas de aromáticas quando apresentam um anel plano de átomos de carbono com ligações de ressonância - um tipo de ligação intermediária entre uma ligação simples e uma ligação dupla, resultando em alta estabilidade química (isto é, baixa reatividade). A molécula aromática arquetípica é o benzeno, C ₆ H ₆ , apresentando um anel aromático hexagonal de átomos de carbono. O número de elétrons (os chamados elétrons-π) compartilhados pelo anel é sempre um múltiplo de quatro mais dois (para o benzeno, por exemplo, são seis), uma propriedade conhecida como regra de Hückel.

A antiaromaticidade é uma propriedade semelhante:um anel de carbono planar, mas com um número de elétrons π que é um múltiplo de quatro (para o ciclobutadieno, por exemplo, são quatro). Tal situação resulta em instabilidade química.

Fujii e seus colegas trabalharam com um estábulo, complexo à base de níquel com uma porção anti-aromática. Comparado a um complexo semelhante com uma porção aromática, sua condutância é uma ordem de magnitude maior, confirmando a previsão anterior de que as moléculas anti-aromáticas são excelentes condutores elétricos.

Condutância

O quão bem um material conduz eletricidade é expresso por meio de uma quantidade chamada condutância elétrica, G. É o inverso da resistência elétrica, R =1 / G. A condutância é definida como a razão da corrente I percorrendo o material (ou, No presente trabalho, uma única molécula) e a voltagem V através dela. A unidade de condutância é o siemens, S, mas os valores de condutância são frequentemente dados em relação ao quantum de condutância, G0 ≈ 7,7 x 10 ^–5 S.

Fujii e colegas obtiveram valores de condutância para complexos à base de níquel aromático e antiaromático, medindo suas características de corrente-tensão (I-V) em uma configuração de microscopia de tunelamento de varredura (STM).