Investigadores de IMDEA Nanociencia lideran la implementación pionera de polímeros de coordinación, típicamente aislantes, en dispositivos electrónicos nanométricos
La captura de gases, vapores y otras emisiones contaminantes es crucial para la salud, especialmente en las sociedades industrializadas. El grupo de investigación “Materiales Conmutables” de IMDEA Nanociencia, dirigido por el Dr. José Sánchez-Costa, trabaja en la síntesis y caracterización de compuestos que, no sólamente puedan capturar estas moléculas, sino que den información in situ y en tiempo real de que efectivamente se está absorbiendo. Por tanto, estos compuestos, llamados polímeros de coordinación −grupo al que también pertenecen las redes metalorgánicas (MOFs)− pueden servir como sensores químicos ante compuestos volátiles.
Esquema del transistor de grafeno antes y después de la desorción de moléculas de acetonitrilo. Imagen: José Sánchez Costa.
En 2019, el grupo del Dr. Sánchez-Costa sintetizaba un polímero de coordinación, un compuesto que cambiaba de color amarillo a naranja y viceversa como respuesta a la absorción/desorción de acetonitrilo. Las moléculas de acetonitrilo eran absorbidas y difundidas en la red cristalina, lo cual modificaba su estructura y también su color a simple vista. Este sensor químico presentaba ventaja sobre otros métodos de detección de gases por ser sencillo y de bajo coste, además de ser reversible. El compuesto cambiaba su color de naranja a amarillo al absorber el gas, y volvía a su color naranja al expulsar las moléculas de su interior.
Ahora, los investigadores han estudiado cómo incluir estos polímeros, típicamente aislantes, en dispositivos electrónicos micrométricos. Concretamente han depositado un material hibrido orgánico-metálico (con fórmula molecular [∞[Fe(H2O)2(CH3CN)2(pyrazine)]) sobre una lámina de grafeno formando un transistor de efecto campo (FET). Las láminas de polímero, de unos 300 nanómetros de grosor, se depositan sobre el grafeno —una capa de carbono de espesor atómico—formando un transistor FET. La gran diferencia de conductividades eléctricas del grafeno y del polímero aseguran que la mayoría de la carga eléctrica se transporta a través del grafeno. De este modo, han podido estudiar las propiedades del polímero interaccionando con grafeno obteniendo sorprendentes resultados.
Las medidas de conductividad en el grafeno han evidenciado las transformaciones que sufre el polímero como consecuencia de la absorción y desorción de moléculas de acetonitrilo. Las transformaciones estructurales del polímero son detectadas como cambios bruscos en la conductividad del dispositivo de grafeno, que aumenta drásticamente. El origen de esa modulación de la conductividad radica en el dopaje (tipo p, positivo) del grafeno por parte del acetonitrilo liberado por el polímero.
La idea de reducir el polímero de coordinación y aprovecharlo en la escala nanométrica tiene su fundamento en la sensibilidad, que aumenta al reducir sus dimensiones. Al hacer el compuesto más pequeño, se necesitan menos moléculas para producir una alerta, en forma de cambio de color. Idealmente, se necesitaría una pequeña cantidad de moléculas de acetonitrilo para activar su transformación estructural.
Además, la incorporación de este material, sensible al gas y de forma reversible, en un transistor tiene una ventaja evidente, y es que se puede integrar en dispositivos electrónicos para una lectura indirecta. La sensibilidad del grafeno a la liberación del acetonitrilo permite detectar los cambios estructurales del polímero de coordinación a través de medidas de conductividad.
En el grupo de “Materiales Conmutables” de IMDEA Nanociencia se estudian principalmente polímeros de coordinación no porosos y conmutables. Estos materiales, que no gozan quizá de una popularidad tan extendida como la de las redes metalorgánicas (MOFs) por no ser porosos, presentan una ventaja precisamente por eso mismo: “Al no ser porosos, la forma de albergar moléculas en su interior es altamente selectiva” comenta el Dr. José Sánchez. La selectividad de los materiales que pueden absorber moléculas es clave para el diseño de dispositivos, ya queen general se desea captar un solo tipo de moléculas. El método de fabricación de los dispositivos sería sencillo “Depositando una sola gota se puede fabricar un nuevo dispositivo con una aplicación concreta”, dice la Dra. Esther Resines. La colaboración con el Dr. Enrique Burzurí, investigador de la Universidad Autónoma de Madrid, ha sido crucial para el desarrollo de este trabajo. El Dr. Burzurí es experto en diseño y caracterización de dispositivos basados en materiales de bajas dimensiones, como el grafeno.
El método propuesto es una potente herramienta para convertir las transformaciones cristalinas en señales eléctricas. También el proceso contrario es posible, modular las propiedades electrónicas del grafeno de una forma controlada a través de la liberación de moléculas.
Referencia bibliográfica: Lucía Martín-Pérez, Esther Resines-Urien, José Sánchez Costa, Enrique Burzurí. Graphene conductance modulation through controlled molecular release in a hybrid coordination polymer/graphene field-effect transistor. Carbon, 225, 119145 (2024). DOI: 10.1016/j.carbon.2024.119145.
