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Pesquisadores da Universidade de Kyoto, no Japão, obtiveram novos insights sobre as propriedades químicas únicas de moléculas esféricas compostas inteiramente por átomos de carbono, chamadas fulerenos. Eles fizeram isso fazendo fragmentos planos das moléculas, que surpreendentemente retiveram e até melhoraram algumas propriedades químicas importantes. A equipe publicou suas descobertas na revista Natureza Comunicações.
“Nosso trabalho pode levar a novas oportunidades em uma ampla gama de aplicações, como semicondutores, dispositivos de conversão fotoelétrica, baterias e catalisadores”, diz o líder do grupo Aiko Fukazawa no Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS).
Buckminsterfulereno (ou simplesmente ‘buckyball’) é uma molécula na qual 60 átomos de carbono estão ligados para formar uma forma esférica. Foi nomeado após semelhanças estruturais com as cúpulas geodésicas projetadas pelo célebre arquiteto Buckminster Fuller, e sua estrutura única atraiu continuamente o interesse dos cientistas. O buckminsterfulereno e aglomerados de carbono esféricos relacionados com diferentes números de átomos de carbono são coloquialmente conhecidos como fulerenos, após o sobrenome de Fuller. Uma de suas características mais intrigantes é a capacidade de aceitar elétrons, um processo conhecido como redução. Devido ao seu caráter de aceitação de elétrons, os fulerenos e seus derivados têm sido extensivamente investigados como materiais de transporte de elétrons em transistores orgânicos de filme fino e fotovoltaicos orgânicos. No entanto, os fulerenos são uma classe anômala de materiais em comparação com quaisquer outros receptores de elétrons orgânicos convencionais, devido à sua robustez em aceitar múltiplos elétrons.
Químicos teóricos propuseram três possíveis fatores que podem estar por trás da capacidade de aceitação de elétrons do fulereno: a alta simetria de toda a molécula, seus átomos de carbono com ligações piramidais e a presença de subestruturas pentagonais distribuídas entre anéis de seis membros.
A equipe de Kyoto concentrou-se na influência dos anéis pentagonais. Eles projetaram e sintetizaram fragmentos achatados de fulereno e confirmaram experimentalmente que essas moléculas poderiam aceitar até um número igual de elétrons como o número de anéis de cinco membros em sua estrutura sem decomposição.
“Esta descoberta surpreendente destaca o significado crucial da subestrutura pentagonal para gerar sistemas estáveis de aceitação de múltiplos elétrons”, diz Fukazawa.
Os experimentos também revelaram que os fragmentos exibem maior absorção de luz ultravioleta, visível e infravermelho próximo em comparação com uma absorção mais limitada do próprio fulereno. Isso pode abrir novas possibilidades na fotoquímica, como usar a luz para iniciar reações químicas ou desenvolver sensores de luz ou sistemas movidos a energia solar.
A equipe agora explorará as possibilidades que seus fragmentos planos de fulereno possuem na vasta variedade de aplicações associadas aos processos de transferência de elétrons. É incomum obter uma capacidade de aceitação de elétrons tão alta em moléculas compostas apenas de carbono, evitando o requisito típico de introduzir outros átomos ou grupos funcionais de retirada de elétrons em uma estrutura baseada em carbono. Continuar a explorar os efeitos da incorporação de outros átomos ou grupos químicos, no entanto, pode gerar controle adicional e versatilidade nas propriedades químicas.
“Esperamos ser pioneiros na ciência e na tecnologia do que chamamos de hidrocarbonetos com superaceitação de elétrons, aproveitando seu alto grau de liberdade para explorar os efeitos de modificações estruturais”, diz Fukazawa.
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