Modello di interfaccia multifunzionale basata su porfirina per la commutazione e l'ottimizzazione degli spin. Credito:Forschungszentrum Jülich
Le interfacce molecolari formate tra metalli e composti molecolari hanno un enorme potenziale come elementi costitutivi per i futuri dispositivi optoelettronici e spin-elettronici. I complessi di ftalocianina e porfirina del metallo di transizione sono componenti promettenti per tali interfacce. Gli scienziati del Forschungszentrum Jülich, insieme a un team di scienziati internazionali, hanno lavorato per sviluppare un sistema modello per la progettazione di tali dispositivi con funzioni uniche e prestazioni migliorate stabilizzando e controllando gli stati di spin e di ossidazione nei complessi con precisione su scala nanometrica. Tra le altre cose, hanno scoperto un meccanismo che può essere utilizzato in futuro per memorizzare informazioni nelle porfirine o per sviluppare sensori estremamente sensibili per rilevare il biossido di azoto tossico.
Alcuni dei processi più importanti nei sistemi biologici sono catalizzati da enzimi contenenti ioni metallici, dove una reattività inaspettata corrisponde a stati di ossidazione bassi. Ad esempio, le porfirine, una classe di molecole coloranti, sono coinvolte nella fotosintesi nelle piante e nel trasporto di ossigeno nei globuli rossi. Ispirandosi alle loro funzioni biologiche, gli scienziati hanno assegnato alle porfirine un'ampia gamma di usi tecnologici. Tuttavia, qualsiasi applicazione pratica di questi complessi organometallici nell'ambito della tecnologia richiede un controllo su scala nanometrica delle proprietà molecolari da sfruttare.
Un gruppo di scienziati del Forschungszentrum Jülich lavora da tempo su questi sistemi con l'obiettivo di perfezionarne le proprietà elettroniche e magnetiche e comprendere i meccanismi che governano le interazioni all'interfaccia. "Abbiamo fatto il primo passo in questa direzione accoppiando nichel-porfirina con rame, che è una superficie altamente interattiva. Questa combinazione unica si traduce in alcune proprietà davvero interessanti:ad esempio, il rame promuove un trasferimento di carica significativo nella porfirina. Inoltre, innesca la riduzione del metallo centrale, il nichel, avvicinando le caratteristiche di questo sistema ai sistemi biologici che ci hanno ispirato in primis. Di conseguenza, ci siamo chiesti, perché non andare ancora oltre, utilizzando Ni(I)' è alta reattività?" spiega la dott.ssa Vitaliy Feyer dell'Istituto Peter Grünberg di Jülich.
In effetti, gli ioni metallici insaturi Ni(I) a bassa valenza su questa interfaccia sono disponibili per la catalisi e l'attacco di ligandi assiali, come piccole molecole biatomiche, offre la possibilità di controllare ulteriormente gli stati di ossidazione e spin. Quello che sembrava essere un approccio semplice ha portato a scoperte interessanti:ad esempio, l'esposizione dell'interfaccia molecolare a un basso dosaggio di biossido di azoto ha portato lo ione nichel a passare a uno stato di spin più elevato. Anche in un sistema multistrato interrato, lo ione nichel a bassa valenza chimicamente attivo può essere funzionalizzato con biossido di azoto, fornendo una regolazione selettiva delle proprietà elettroniche del centro metallico.
La commutazione dello spin di coordinazione del ligando assiale all'interfaccia è un processo reversibile e lo stato originario può essere ripristinato mediante una leggera ricottura dell'interfaccia. Mentre il nichel funziona come un interruttore di rotazione reversibile a temperatura ambiente, la struttura elettronica della spina dorsale del macrociclo, dove sono localizzati principalmente gli orbitali di frontiera, è inalterata. "La ragione di ciò è che il forte contatto della porfirina con il substrato sembra comportarsi come una controparte energetica, prevenendo ulteriori modifiche geometriche causate dal cosiddetto effetto trans superficiale", afferma Iulia Cojocariu, Ph.D. studente presso l'Istituto Peter Grünberg. Questo metodo non è mai stato osservato a temperatura ambiente prima e ha il potenziale per essere sfruttato in futuro per memorizzare informazioni nelle porfirine o per costruire sensori straordinariamente sensibili per rilevare sostanze pericolose come il biossido di azoto.
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