Materiali come l'arseniuro di gallio sono estremamente importanti per la produzione di dispositivi elettronici. Poiché le scorte sono limitate, oppure possono presentare rischi per la salute e per l'ambiente, gli specialisti sono alla ricerca di materiali alternativi. I cosiddetti polimeri coniugati sono candidati. Queste macromolecole organiche hanno proprietà semiconduttrici, cioè possono condurre elettricità in determinate condizioni. Un possibile modo di produrli nella bidimensionalità desiderata, ad es. estremamente piatta:la forma è presentata dalla chimica della superficie, un campo di ricerca istituito nel 2007.

Da allora, sono state sviluppate molte reazioni e prodotti materiali interessanti per possibili applicazioni. La maggior parte delle reazioni si basa sulla formazione di legami carbonio-carbonio. Un team composto da vari gruppi di lavoro dei dipartimenti di Chimica e Fisica dell'Università di Münster (Germania) ha ora utilizzato la formazione di legami silicio-silicio per costruire un polimero, una novità assoluta nella chimica delle superfici.

In precedenza, un ostacolo era stato il collegamento degli atomi di silicio. Costruire polimeri in questo modo utilizzando la chimica di sintesi tradizionale, cioè in una soluzione, è complicato. Il fatto che siano ora i primi ad essere riusciti a produrre un polimero di silicio è qualcosa che i ricercatori di Münster devono alle possibilità offerte dalla chimica di superficie. Il trucco era il seguente:il collegamento degli atomi avviene su una superficie metallica estremamente liscia, su cui si depositano le molecole. Questo produce strati di materiale molto sottili. Se il solito carbonio viene sostituito dal silicio, si possono ottenere polimeri lunghi, anche con condizioni di reazione blande. Dai polimeri di silicio, i ricercatori sperano in proprietà innovative dei materiali e in nuove, candidati promettenti per potenziali candidature. I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista Chimica della natura .

Metodologia

Un team di chimici guidati dal Prof. Armido Studer ha prodotto molecole costituite da gruppi sililici collegati tramite un cosiddetto linker organico. I fisici del team guidato dal prof. Harald Fuchs hanno studiato la loro reattività sulle superfici metalliche (oro o rame). Hanno dimostrato che la reazione dei legami silicio-idrogeno all'interno dei gruppi sililici avveniva a temperatura ambiente, mentre un simile accoppiamento di legami carbonio-carbonio richiede normalmente temperature superiori a 300 gradi Celsius. Nel passaggio successivo, i ricercatori hanno chiarito l'esatta struttura dei collegamenti formati:due atomi di idrogeno vengono rimossi da ciascun atomo di silicio per creare le strutture di ordine superiore. Analisi più dettagliate hanno mostrato inoltre un legame degli atomi di silicio alla superficie metallica.

Poiché non è stato possibile chiarire completamente la struttura del polimero finale utilizzando la consueta microscopia a scansione-tunneling (STM), un team guidato dal chimico Prof. Johannes Neugebauer ha utilizzato metodi chimici computazionali per questo scopo e ha simulato le immagini STM di vari potenziali prodotti. Per fornire ulteriore supporto nella caratterizzazione del prodotto, un team guidato dal fisico Dr. Harry Mönig ha impiegato un metodo specificamente concepito per questi problemi basato sulla microscopia a forza atomica. Questo metodo ha permesso non solo di rappresentare l'intero prodotto, ma anche per localizzare gli atomi di idrogeno con una risoluzione drasticamente aumentata. Il team di Johannes Neugebauer è anche riuscito a sviluppare un modello meccanicistico ea simulare le fasi di reazione necessarie per formare il prodotto trovato.

Contributi da diverse angolazioni

"Le proprietà dei polimeri potrebbero essere esaminate in studi futuri per quanto riguarda la loro conduttività elettrica, " dice il chimico Dr. Henning Klaasen. "Inoltre, il design molecolare potrebbe essere variato al fine di adattare le proprietà per un'applicazione dei materiali come semiconduttori organici." E Lacheng Liu, un dottorato di ricerca studente di fisica, aggiunge, "Inoltre, questo metodo potrebbe essere utilizzato per sviluppare una strategia completamente nuova per i cambiamenti molecolari alla funzionalizzazione di superfici e nanoparticelle".

Nel futuro, il team prevede di indagare più in dettaglio la chimica superficiale di nuovi gruppi funzionali contenenti silicio e mira anche a introdurre ulteriori gruppi funzionali. "Abbiamo dimostrato che non solo il carbonio può essere utilizzato per creare strutture affascinanti. I vari contributi apportati da diverse angolazioni, da chimici e fisici, da persone con un approccio teorico, da altri con un approccio pratico:tutto richiedeva un alto grado di creatività. Questo ci ha permesso di esplorare un nuovo percorso nelle reazioni di formazione dei legami nella chimica di superficie, "ha detto Melanie Wittler, un dottorato di ricerca studente di chimica.