Ricercatori presso IMDEA Nanociencia, L'Universidad Autónoma de Madrid e l'Universidad Complutense de Madrid hanno presentato una nuova strategia per fabbricare polimeri 1-D quasi metallici con precisione atomica, in collaborazione con l'Accademia ceca delle scienze, EMPA (Zurigo, Svizzera) e RCATM (Olomouc, Repubblica Ceca). Questa indagine avanza la possibilità di progettare polimeri organici stabili con bande proibite elettroniche con applicazioni che includono l'optoelettronica molecolare e la tecnologia dell'informazione quantistica.

I metalli organici (sintetici) hanno attirato molta attenzione negli ultimi decenni del secolo scorso a causa delle loro applicazioni futuristiche previste e dei costi accessibili. Questo campo è stato potenziato dai primi progressi nei polimeri di poliacetilene, che ha mostrato un'elevata conduttività al doping e ha aperto una nuova strada verso l'elettronica organica e il premio Nobel per i loro scopritori. Però, gli scienziati hanno scoperto che i droganti hanno compromesso la stabilità dei polimeri, riducendo così le loro applicazioni come metalli sintetici in dispositivi reali.

Da un punto di vista teorico, i primi sforzi per comprendere i processi fondamentali nel sistema modello trans-poliacetiene hanno portato al modello Su-Shrieffer-Heeger (SSH). La teoria ha rivelato che la forma risonante adottata dal polimero, che emana dalla coniugazione di elettroni pi (pi coniugazione), può alterare in modo imprevisto la classe elettronica del materiale.

La teoria delle bande topologiche classifica i materiali gappati studiando matematicamente la loro struttura a bande negli isolanti e negli isolanti topologici non banali. Nel modello SSH, una forma risonante si comporta come un normale isolante, mentre l'altra forma risonante è un isolante topologico non banale 1-D, cioè., un materiale gappato con stati di bordo in-gap. Così, un crossover di forma risonante può cambiare la classe topologica di un polimero. Ma il poliacetilene, in una qualsiasi delle sue forme risonanti, è un materiale vuoto. Di conseguenza, questo polimero può solo aumentare la sua conduttività essendo drogato chimicamente o elettrochimicamente.

Così, la domanda è se gli scienziati possono progettare metalli intrinseci organici 1-D. Per rispondere a questa domanda, gli scienziati devono tornare alle radici della teoria delle bande topologiche, che afferma che la transizione tra due materiali gapped deve procedere attraverso la chiusura del bandgap, cioè., attraverso uno stato metallico. Così, se i ricercatori potessero progettare una famiglia di materiali chimici e adattare la topologia delle sue bande sintonizzando la struttura chimica, potrebbe diventare possibile approssimare o addirittura localizzare il materiale nel punto di transizione topologico.

Nell'attuale studio riportato sulla rivista Nanotecnologia della natura , gli scienziati hanno ideato un'indagine combinata sperimentale-teorica che collega i campi della teoria delle bande topologiche (fisica dello stato solido) e della coniugazione di elettroni pi (chimica organica) per dare origine a polimeri organici quasi metallici.

"Per la prima volta, possiamo osservare con la microscopia a scansione di sonda la connessione tra la classe topologica e la forma risonante di un polimero, spianare strade per progettare nuove classi elettroniche di materiali, compresi i metalli organici intrinseci e gli isolanti topologici unidimensionali non banali, " dice il prof. Ecija.

"Per illustrare tali concetti, ci siamo affidati al potere della sintesi organica per preparare opportuni precursori molecolari, e ci siamo affidati alla chimica in superficie per guidare l'ingegneria dei polimeri attraverso una reazione senza precedenti", afferma il prof. Martín.

Primo, una nuova famiglia di polimeri acenici, classificati in base al numero di unità di benzene nella loro spina dorsale (n=1, 2, 3…), è identificato per subire una transizione topologica discreta. Per n piccolo (n <5), i polimeri sono nella fase banale, mentre per n grande (n> 5) non sono banali, identificando il confine vicino a n=5 (polimero pentacene).

The different polymers are fabricated with atomic precision on top of gold substrates implementing ultimate on-surface synthesis approaches, tuning the topology and the electronic properties of the resulting polymers at will. "According to our theoretical prediction, the pentacene polymer is located in nontrivial topological phase very close to the topological boundary with very small gap, " says Jelinek. Indeed, experimental measurements revealed their quasi-metallic behavior with 0.35 eV experimental band gap and the presence of in-gap topological edge states.

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. Inoltre, 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. Così, there is a crossover between the resonant forms, which corresponds to the topological band transition.

In summary, 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.