La transferencia de electrones (ET) es un proceso en el que un electrón se transfiere de un átomo o molécula a otro. La ET es fundamental para las 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 fundamental 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 se pueden lograr inyectando electrones y huecos (vacantes llenas de electrones) en los nanotubos, lo que permite que la ET a nanoescala se convierta en candidatos adecuados para estudiar. Aunque los nanotubos a base de carbono tienen interesantes propiedades ET, su forma y tamaño son particularmente difíciles de controlar debido a las condiciones extremas, como las temperaturas requeridas para su síntesis. Un enfoque viable para fabricar nanotubos sintonizables bien definidos es la fabricación ascendente de nanotubos no coherentes, 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 que se observan en los nanotubos de carbono. Sin embargo, no son lo suficientemente fuertes para resistir la inyección de electrones y huecos, lo que puede romper sus interacciones no covalentes y destruir su estructura cristalina.
En un estudio reciente, un equipo de investigadores del Departamento de Química Aplicada de la Universidad de Ciencias de Tokio, dirigido por el Prof. Junpei Usa e integrado por el Dr. Daiji Ogata, el Sr. Shota Koide y el Sr. Hiroyuki Keishi, desarrollaron un nuevo método utilizado. Observe la ET de estado sólido. “Hemos producido nanotubos cristalinos con una estructura especial de doble pared”, explica el profesor Yusa y pudimos observar la reacción de transición del sólido mediante un análisis de la estructura cristalina con rayos X. Sus hallazgos fueron publicados el 23 de mayo de 2024 en la revista Nature Communications.
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 estructura 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 la ET se somete a procesos de oxidación. Además, esta estructura permite que el cristal absorba moléculas donadoras de electrones. Los investigadores utilizaron ferroceno y tetratiafluoreno como moléculas donadoras de electrones, que fueron absorbidos a través de las ventanas de los cristales de nanotubos. Esto permite eliminar electrones de los donantes de electrones adsorbidos mediante una reacción de oxidación ET en estado sólido, lo que da como resultado la acumulación de agujeros en los donantes dentro del nanotubo. Debido a la robustez del cristal, los investigadores pudieron observar directamente este proceso de oxidación ET mediante análisis de la estructura cristalina de rayos X, descubriendo ideas clave.
Este nuevo enfoque es extremadamente valioso para la observación directa de ET en nanomateriales sólidos. Destacando las posibles aplicaciones de este estudio, el profesor Yusa dice: “Comprender la ET puede conducir al desarrollo de nuevos materiales funcionales, lo que conducirá al diseño de semiconductores, transistores y otros dispositivos electrónicos más eficientes, como dispositivos optoelectrónicos, como las células solares. dependen en gran medida de la ET, la observación directa de la ET puede ayudar a mejorar el rendimiento de estos dispositivos; este enfoque podría conducir a avances en el almacenamiento de energía, la nanotecnología y la investigación en ciencia de materiales”.
En general, este estudio es un excelente ejemplo de observación directa de ET en estado sólido, que puede ampliarse para observar ET y fenómenos relacionados en otros nanomateriales.
