p Pesquisadores da IMDEA Nanociencia, A Universidad Autónoma de Madrid e a Universidad Complutense de Madrid apresentaram uma nova estratégia para fabricar polímeros 1-D quase metálicos com precisão atômica, em colaboração com a Academia de Ciências Tcheca, EMPA (Zurique, Suíça) e RCATM (Olomouc, República Checa). Esta investigação avança a possibilidade de projetar polímeros orgânicos estáveis ​​com evanescentes bandgaps eletrônicos com aplicações que incluem optoeletrônica molecular e tecnologia de informação quântica. p Os metais orgânicos (sintéticos) atraíram muita atenção nas últimas décadas do século passado devido às suas aplicações futurísticas e custos acessíveis. Este campo foi impulsionado pelos primeiros avanços em polímeros de poliacetileno, que exibiu alta condutividade sob dopagem e abriu um novo caminho para a eletrônica orgânica e o Prêmio Nobel para seus descobridores. Contudo, os cientistas descobriram que os dopantes comprometiam a estabilidade dos polímeros, reduzindo assim suas aplicações como metais sintéticos em dispositivos reais.

p Do ponto de vista teórico, os primeiros esforços para compreender os processos fundamentais no sistema de trans-poliaceteno modelo resultaram no modelo Su-Shrieffer-Heeger (SSH). A teoria revelou que a forma ressonante adotada pelo polímero, que emana da conjugação de elétrons pi (conjugação pi), pode alterar a classe eletrônica do material de forma inesperada.

p A teoria de bandas topológicas classifica materiais com lacunas estudando matematicamente sua estrutura de bandas em isoladores e isolantes topológicos não triviais. No modelo SSH, uma forma ressonante se comporta como um isolante normal, enquanto a outra forma ressonante é um isolador 1-D não trivial topológico, ou seja, um material com lacunas apresentando estados de borda dentro da lacuna. Assim, um cruzamento de forma ressonante pode alterar a classe topológica de um polímero. Mas poliacetileno, em qualquer uma de suas formas ressonantes, é um material com lacunas. Como resultado, este polímero só pode aumentar sua condutividade por ser dopado química ou eletroquimicamente.

p Assim, a questão é se os cientistas podem fabricar metais intrínsecos orgânicos 1-D. Para responder a esta pergunta, os cientistas precisam voltar às raízes da teoria das bandas topológicas, que afirma que a transição entre dois materiais com lacuna deve prosseguir até o fechamento da lacuna, ou seja, através de um estado metálico. Assim, se os pesquisadores pudessem projetar uma família de materiais químicos e adaptar a topologia de suas bandas ajustando a estrutura química, pode se tornar viável aproximar ou mesmo localizar o material no ponto de transição topológica.

p No estudo atual relatado na revista Nature Nanotechnology , os cientistas desenvolveram uma investigação experimental-teórica combinada ligando os campos da teoria das bandas topológicas (física do estado sólido) e da conjugação de elétrons-pi (química orgânica) para dar origem a polímeros orgânicos quase metálicos.

p "Pela primeira vez, podemos observar com a microscopia de varredura por sonda a conexão entre a classe topológica e a forma ressonante de um polímero, pavimentando avenidas para projetar novas classes de materiais eletrônicos, incluindo metais orgânicos intrínsecos e isolantes não triviais topológicos unidimensionais, "Prof. Ecija diz.

p "Para ilustrar esses conceitos, confiamos no poder da síntese orgânica para preparar precursores moleculares adequados, e confiamos na química de superfície para conduzir a engenharia dos polímeros por meio de uma reação sem precedentes ”, afirma o Prof. Martín.

p Primeiro, uma nova família de polímeros acenos, classificados pelo número de unidades de benzeno em sua estrutura (n =1, 2, 3 ...), é identificado para sofrer uma transição topológica discreta. Para n pequeno (n <5), polímeros estão na fase trivial, enquanto para n grande (n> 5) não são triviais, identificar o limite próximo a n =5 (polímero pentaceno).

p Os diferentes polímeros são fabricados com precisão atômica sobre substratos de ouro, implementando abordagens de síntese na superfície de última geração, ajustar a topologia e as propriedades eletrônicas dos polímeros resultantes à vontade. "De acordo com nossa previsão teórica, o polímero de pentaceno está localizado na fase topológica não trivial muito perto do limite topológico com uma lacuna muito pequena, "diz Jelinek. Na verdade, experimental measurements revealed their quasi-metallic behavior with 0.35 eV experimental band gap and the presence of in-gap topological edge states.

p Authors generalize the concept by extending it to the polymer family of periacenes, achieving band gaps as low as 0.3 eV for bisanthene polymers, which are located close to the topological transition. Adicionalmente, the different resonant forms of the pi-system can be identified, demonstrating an ethynylene-bridged aromatic nature for the trivial polymers, whereas locating a cumulene-linked p-quinoid resonant form for the nontrivial wires. Assim, there is a crossover between the resonant forms, which corresponds to the topological band transition.

p Resumindo, this work serves both as a proof of the intimate relation between resonant form and topological class, while offering a new tool to produce stable organic intrinsic metals by designing polymers at the exact topological boundary.