Moléculas de ferroceno estabilizadas resultam na menor máquina molecular controlada eletricamente do mundo

Máquinas moleculares artificiais, máquinas em nanoescala compostas por algumas moléculas, oferecem o potencial para transformar campos que envolvem catalisadores, eletrônica molecular, medicamentos e materiais quânticos. Essas máquinas operam convertendo estímulos externos, como sinais elétricos, em movimento mecânico em nível molecular.

O ferroceno, uma molécula especial em forma de tambor composta por um átomo de ferro (Fe) imprensado entre dois anéis de carbono de cinco membros, é uma molécula basic promissora para a maquinaria molecular. A sua descoberta valeu-lhe o Prémio Nobel da Química em 1973 e desde então tornou-se uma pedra angular no estudo das máquinas moleculares.

O que torna o ferroceno tão atraente é sua propriedade única: uma mudança no estado eletrônico do íon Fe, de Fe²⁺ para Fé³⁺ faz com que seus dois anéis de carbono girem cerca de 36° em torno do eixo molecular central. Controlar este estado eletrônico por um sinal elétrico externo poderia permitir uma rotação molecular controlada com precisão.

No entanto, um grande obstáculo na sua aplicação prática é que ele se decompõe facilmente quando adsorvido na superfície de substratos, especialmente substratos planos de metais nobres, perto da temperatura ambiente, mesmo sob condições de vácuo ultra-alto. Um método definitivo para ancorar moléculas isoladas de ferroceno em uma superfície sem decomposição não foi encontrado até agora.

Em um estudo inovador, uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Associado Toyo Kazu Yamada da Escola de Pós-Graduação em Engenharia da Universidade de Chiba, Japão, incluindo o Professor Peter Krüger da Faculdade de Engenharia da Universidade de Chiba, o Professor Satoshi Kera do Instituto de Ciência Molecular, O Japão e o professor Masaki Horie, da Universidade Nacional Tsing Hua, em Taiwan, finalmente superaram este desafio. Eles criaram com sucesso a menor máquina molecular controlada eletricamente do mundo.

“Neste estudo, estabilizamos e adsorvemos com sucesso moléculas de ferroceno em uma superfície de steel nobre, pré-revestindo-a com um filme molecular de éter de coroa bidimensional. Esta é a primeira evidência experimental direta do movimento molecular baseado em ferroceno em escala atômica, ” disse o Prof. Yamada.

Suas descobertas foram publicadas na revista Pequeno em 30 de novembro de 2024.

Para estabilizar as moléculas de ferroceno, a equipe primeiro as modificou adicionando sais de amônio, formando sais de amônio ferroceno (Fc-amm). Isso melhorou a durabilidade e garantiu que as moléculas pudessem ser fixadas com segurança à superfície do substrato.

Essas novas moléculas foram então ancoradas em um filme monocamada composto de moléculas cíclicas de éter coroa, que foram colocadas sobre um substrato plano de cobre. As moléculas cíclicas do éter coroa têm uma estrutura única com um anel central que pode conter uma variedade de átomos, moléculas e íons.

O professor Yamada explica: “Anteriormente, descobrimos que as moléculas cíclicas do éter coroa podem formar um filme de monocamada em substratos metálicos planos. Esta monocamada retém os íons de amônio das moléculas Fc-amm no anel central das moléculas do éter coroa, evitando a decomposição do ferroceno agindo como um escudo contra o substrato metálico.”

Em seguida, a equipe colocou uma sonda de microscopia de varredura por tunelamento (STM) no topo da molécula Fc-amm e aplicou uma voltagem elétrica, que causou um movimento de deslizamento lateral das moléculas. Especificamente, ao aplicar uma voltagem de -1,3 volts, um buraco (espaço vazio deixado por um elétron) entra na estrutura eletrônica do íon Fe, trocando-o de Fe²⁺ para Fé³⁺ estado.

Isto desencadeou a rotação dos anéis de carbono acompanhada por um movimento de deslizamento lateral da molécula. Cálculos da teoria do funcional da densidade mostraram que esse movimento de deslizamento lateral ocorre devido à repulsão de Coulomb entre os íons Fc-amm carregados positivamente.

É importante ressaltar que ao remover a voltagem, a molécula retorna à sua posição unique, demonstrando que o movimento é reversível e pode ser controlado com precisão usando sinais elétricos.

“Este estudo abre possibilidades interessantes para máquinas moleculares baseadas em ferroceno. Sua capacidade de realizar tarefas especializadas em nível molecular pode levar a inovações revolucionárias em muitos campos científicos e industriais, incluindo medicina de precisão, materiais inteligentes e fabricação avançada”, diz o Prof. Yamada.