Μια ομάδα χημικών από το Πανεπιστήμιο του Ζάαρλαντ κατάφερε να συνθέσει ένα εξαιρετικά ασυνήθιστο μόριο τύπου «σάντουιτς», γνωστό ως φερροσενοφάνιο, το οποίο για δεκαετίες θεωρούνταν αδύνατο να υπάρξει λόγω της μεγάλης δομικής παραμόρφωσης που θα προκαλούσε.
Η ανακάλυψη, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό «Angewandte Chemie International Edition», ανοίγει νέες δυνατότητες για τον σχεδιασμό υλικών που περιέχουν σίδηρο και μπορεί να οδηγήσει σε νέες κατηγορίες μεταλλικών πολυμερών με προηγμένες ιδιότητες.
Τα μόρια τύπου σάντουιτς, γνωστά ως μεταλλοκένια, αποτελούνται από δύο επίπεδους δακτυλίους άνθρακα που περικλείουν ένα άτομο μετάλλου. Στην περίπτωση όπου το μέταλλο είναι ο σίδηρος, το μόριο ονομάζεται φερροκένιο.
Η δομή που θεωρούνταν ασταθής
Μια ειδική κατηγορία αυτών των ενώσεων είναι τα φερροσενοφάνια, όπου οι δύο ανθρακικοί δακτύλιοι συνδέονται μεταξύ τους μέσω μιας γέφυρας από άτομα όπως πυρίτιο, βόριο, θείο ή άνθρακα.
Η δημιουργία ενός φερροσενοφανίου με γέφυρα από ένα μόνο άτομο άνθρακα αποτελούσε όμως έναν άλυτο στόχο για τους χημικούς. Ο άνθρακας είναι πολύ μικρότερο άτομο από άλλα στοιχεία που χρησιμοποιούνται σε τέτοιες γέφυρες, γεγονός που θα ανάγκαζε τους δακτυλίους να λυγίσουν σε πολύ έντονη γωνία.
Αυτή η έντονη παραμόρφωση δημιουργεί υψηλή τάση στο μόριο, οδηγώντας πολλούς επιστήμονες στην άποψη ότι μια τέτοια δομή δεν θα μπορούσε να είναι σταθερή.
«Οι σύντομες γέφυρες αναγκάζουν το μόριο να λυγίσει – κάτι που δεν προτιμά να κάνει», εξηγεί ο δρ. André Schäfer από το Πανεπιστήμιο του Ζάαρλαντ.
Η σύνθεση ενός μορίου που αμφισβήτησε την πρόβλεψη
Η ερευνητική ομάδα κατάφερε τελικά να αποδείξει ότι το πρόβλημα δεν ήταν η σταθερότητα της δομής, αλλά η δυσκολία δημιουργίας της.
Η διδακτορική ερευνήτρια Aylin Feuerstein εργάστηκε επί χρόνια πάνω στο συγκεκριμένο μόριο και σχεδίασε, μαζί με την ομάδα της, μια δομή που αρχικά δοκιμάστηκε μέσω υπολογιστικών μοντέλων.
Οι προσομοιώσεις έδειξαν ότι, υπό συγκεκριμένες συνθήκες, το μόριο θα μπορούσε να είναι σταθερό. Με βάση αυτές τις προβλέψεις, οι χημικοί προχώρησαν στη σύνθεσή του στο εργαστήριο.
Το αποτέλεσμα ήταν μια κόκκινη σκόνη που, μετά από αναλύσεις, επιβεβαιώθηκε ότι ήταν το πολυπόθητο φερροσενοφάνιο με γέφυρα από ένα άτομο άνθρακα.
Η μεγαλύτερη έκπληξη για τους ερευνητές ήταν η εξαιρετικά υψηλή θερμική του σταθερότητα.
«Νομίζαμε ότι ίσως θα αποσυντίθετο ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου. Αντίθετα, αποδείξαμε ότι το μόριο παραμένει σταθερό ακόμη και σε υψηλές θερμοκρασίες», δήλωσε η Feuerstein.
Το νέο μόριο μπορεί να θερμανθεί πάνω από τους 200 βαθμούς Κελσίου χωρίς να παρουσιάζει αποσύνθεση.
Νέες δυνατότητες για μεταλλικά πολυμερή
Η ανακάλυψη δεν έχει μόνο θεωρητική σημασία. Τα φερροσενοφάνια χρησιμοποιούνται ως πρόδρομες ενώσεις για τη δημιουργία μεταλλικών πολυμερών, υλικών που συνδυάζουν τις ιδιότητες οργανικών ενώσεων και μετάλλων.
Ο καθηγητής Markus Gallei από την ομάδα πολυμερών χημείας του Πανεπιστημίου του Ζάαρλαντ εξηγεί ότι τα μεταλλικά πολυμερή μπορούν να οδηγήσουν σε εφαρμογές όπως οπτικά υλικά που αλλάζουν ιδιότητες, προηγμένες μεμβράνες και ηλεκτρικά ελεγχόμενες επιφάνειες.
Η νέα ένωση προσφέρει έναν ακόμη δομικό «δομικό λίθο» για την ανάπτυξη τέτοιων υλικών.
Η υπολογιστική χημεία οδήγησε στην ανακάλυψη
Η επιτυχία της ομάδας δεν προέκυψε τυχαία. Οι ερευνητές συνδύασαν θεωρητικά μοντέλα με πειραματικές τεχνικές για να προβλέψουν ποια χαρακτηριστικά θα επέτρεπαν στο μόριο να παραμείνει σταθερό.
Οι υπολογισμοί έδειξαν ότι μικρές αλλαγές στη μοριακή δομή μπορούν να έχουν μεγάλη επίδραση στη σταθερότητα.
Μετά τη σύνθεση, ειδικοί από την Ισπανία πραγματοποίησαν κβαντοχημικούς υπολογισμούς για να εξηγήσουν γιατί η συγκεκριμένη διάταξη προσφέρει τόσο μεγάλη ανθεκτικότητα.
Η δημιουργία αυτού του «χαμένου κρίκου» στη χημεία των φερροσενοφανίων δείχνει ότι ακόμη και δομές που θεωρούνται υπερβολικά ασταθείς μπορούν να γίνουν πραγματικότητα όταν συνδυάζονται η θεωρητική πρόβλεψη, η υπολογιστική μοντελοποίηση και η προηγμένη εργαστηριακή σύνθεση.
