La transferencia de electrones (ET) es el proceso mediante el cual se transfiere un electrón de un átomo o molécula a otro. La ET es esencial para realizar reacciones electroquímicas con aplicaciones en muchos campos. La ET a nanoescala, que implica la transferencia de electrones en el rango de 1 a 100 nanómetros en sólidos, es esencial para el diseño de materiales multifuncionales. Sin embargo, este proceso aún no se comprende claramente.
Los nanotubos, nanomateriales con nanoestructuras cilíndricas únicas, ofrecen una variedad de propiedades de ET que pueden realizarse mediante inyecciones de electrones y huecos (vacantes de electrones) en los nanotubos, lo que los convierte en candidatos adecuados para la investigación de ET a nanoescala. Aunque los nanotubos a base de carbono exhiben fascinantes propiedades ET, son particularmente difíciles de controlar en términos de su forma y tamaño debido a las condiciones extremas, como las altas temperaturas, requeridas para su síntesis. Un enfoque viable para fabricar nanotubos sintonizables bien definidos es la fabricación ascendente de nanotubos no covalentes, que a veces da como resultado nanotubos con forma cristalina. Los nanotubos no covalentes se forman a través de interacciones atractivas inherentes o interacciones no covalentes entre átomos, en lugar de las fuertes interacciones covalentes observadas en los nanotubos de carbono. Sin embargo, no son lo suficientemente fuertes como para resistir las inyecciones de electrones y huecos, que pueden alterar sus interacciones no covalentes y destruir su estructura cristalina.
En un estudio reciente, un equipo de investigación del Departamento de Química Aplicada de la Universidad de Ciencias de Tokio, dirigido por el profesor Junpei Yuasa y que incluye a los Dres. Daiji Ogata, Shota Koide y Hiroyuki Kishi utilizaron un nuevo enfoque para observar ET en estado sólido. El profesor Yuasa explica: «Hemos desarrollado nanotubos cristalinos con una estructura especial de doble pared. Al incorporar moléculas donadoras de electrones en los poros de estos nanotubos cristalinos mediante una reacción de oxidación en estado sólido, pudimos observar directamente la reacción de transferencia de electrones en el estado sólido mediante análisis de estructura cristalina por rayos X.» Sus hallazgos fueron publicados en la revista Nature Communications el 23 de mayo de 2024.
Los investigadores utilizaron un nuevo método de cristalización supramolecular que implica una cristalización basada en oxidación para fabricar nanotubos cristalinos de doble pared a base de zinc. Esta construcción de doble pared con grandes ventanas en las paredes de los nanotubos hace que el cristal sea lo suficientemente fuerte y flexible como para mantener su estado cristalino cuando se somete a procesos de oxidación ET. Además, esta estructura permite que el cristal absorba moléculas donadoras de electrones. Los investigadores utilizaron ferroceno y tetratiafulvaleno como moléculas donadoras de electrones que fueron absorbidas a través de las ventanas de los cristales de nanotubos. Esto permite eliminar electrones de los donantes de electrones absorbidos mediante reacciones de oxidación ET en estado sólido, lo que da como resultado una acumulación de agujeros en los donantes dentro del nanotubo. Debido a la persistencia de los cristales, los investigadores pudieron observar este proceso de oxidación ET directamente mediante análisis de la estructura cristalina de rayos X, lo que reveló ideas clave.
Este nuevo enfoque es muy valioso para la observación directa de ET en nanomateriales sólidos. Destacando las posibles aplicaciones de esta investigación, el prof. Yuasa dice: «Comprender la ET puede conducir al desarrollo de nuevos materiales funcionales, que a su vez pueden conducir al diseño de semiconductores, transistores y otros dispositivos electrónicos más eficientes. Los dispositivos optoelectrónicos como las células solares, la observación directa de la ET pueden ayudar a mejorar estos dispositivos Además, este enfoque puede hacer avanzar la investigación en almacenamiento de energía, nanotecnología y ciencia de materiales.
En general, este estudio es un claro ejemplo de observación directa de ET en estado sólido, que puede ampliarse para observar ET y fenómenos relacionados en otros nanomateriales.
