Os bioorganismos são as máquinas mais complexas que conhecemos, e são capazes de realizar funções exigentes com grande eficiência.

Um tema comum nessas bio-máquinas é que tudo que é importante acontece no nível de moléculas individuais - isto é, em nanoescala.

A funcionalidade desses bio-sistemas depende da automontagem - ou seja, moléculas interagindo precisa e seletivamente umas com as outras para formar estruturas bem definidas. Um exemplo bem conhecido desse fenômeno é a estrutura de dupla hélice do DNA.

Agora, inspirado por bio-sistemas de automontagem, um grupo internacional de cientistas, incluindo físicos da FLEET, criou um novo, baseado em carbono, nanomaterial auto-montado, que poderia ser a chave para novas tecnologias fotovoltaicas e de catálise.

Usando a automontagem, os pesquisadores foram capazes de projetar, com precisão em escala atômica, uma nova nanoestrutura 1-D composta de moléculas orgânicas (baseadas em carbono) e átomos de ferro.

Os resultados são descritos em dois estudos publicados este mês em Nature Communications e ACS Nano .

Precisão em escala atômica via automontagem:um caminho para a funcionalidade

"Fabricar nanomateriais controlando a posição de átomos e moléculas individuais um de cada vez é muito tedioso, se não impossível, "diz o cientista chefe, Dr. Agustin Schiffrin, conferencista sênior na Monash University e pesquisador-chefe da FLEET.

"Em vez de, podemos criar estruturas atomicamente precisas por meio de automontagem, escolhendo as moléculas certas, átomos e condições de preparação. "

"Isso tem a vantagem de que nenhuma intervenção externa é necessária, "explica o Dr. Schiffrin.

Essa capacidade de automontagem vem do uso orgânico (ou seja, à base de carbono) como moléculas construtoras de nanounidades.

A forma, O tamanho e a interação dos grupos funcionais dessas moléculas orgânicas podem ser ajustados de um número quase infinito de maneiras usando a química sintética orgânica.

O controle das interações entre as moléculas leva à criação do desejado, nanoestrutura bem definida, de forma semelhante à maneira como as interações entre os ácidos nucléicos no DNA dão origem à dupla hélice.

"Podemos, assim, construir materiais com uma forma muito precisa, estrutura projetada, o que resulta no material com as propriedades eletrônicas desejadas, "diz a coautora Marina Castelli, um Ph.D. estudante da Escola de Física e Astronomia da Monash University.

"Assim como as funções dos bio-organismos dependem de interações em nanoescala, as propriedades físicas e eletrônicas desses novos materiais vêm de sua estrutura em um nível de molécula única, "explica o bolsista de pesquisa da Monash, Dr. Cornelius Krull.

De cima para baixo bate de cima para baixo

Métodos convencionais para nanofabricação de material, como litografia, dependem de abordagens 'de cima para baixo', com materiais padronizados pela remoção de matéria. Esses métodos são limitados a resoluções da ordem de 1 nanômetro, no máximo.

Em vez de, Métodos 'ascendentes' podem permitir resolução de padronização sub-nanométrica, com o potencial para um nível mais alto de controle e eficiência das propriedades eletrônicas.

Além disso, a aplicação de abordagens de síntese 'de baixo para cima' com uma superfície como substrato permite nanoestruturas com propriedades que não podem ser alcançadas por meio de métodos sintéticos convencionais.

Nanomateriais baseados em complexos moleculares orgânicos de metal permitem uma vasta gama de funcionalidades úteis, tanto tecnológico quanto biológico, da catálise à energia fotovoltaica à detecção e armazenamento de gás.

Nestes sistemas, a morfologia em escala atômica e a configuração eletrônica do motivo de coordenação metal-orgânico desempenham um papel crucial, ditando suas propriedades eletrônicas e químicas gerais.

Os dois estudos

O artigo "Projetando Propriedades Optoeletrônicas por Síntese On-Surface:Formation and Electronic Structure of an Iron-Terpyridine Macromolecular Complex, " publicado em ACS Nano , descreve a dependência energética e espacial dos estados eletrônicos (ocupado e desocupado) da nanoestrutura orgânica metálica à base de ferro 1-D, em uma faixa de energia perto do nível de Fermi, que pode ser útil para aplicações optoeletrônicas, como fotovoltaica, foto-catálise e dispositivos emissores de luz.

Estudando estrutura e química no nível de um único átomo. O artigo, "Nanoestruturas orgânicas metálicas trinucleares à base de ferro em uma superfície com acúmulo local de carga, " publicado em Nature Communications , descreve em escala atômica a estrutura intramolecular e distribuição de carga do motivo de coordenação de molécula de ferro não trivial, útil para aplicações de catálise.