Um toque de vida na eletr�nica: Mol�culas de precis�o para tecnologias do futuro

Eletrônica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/09/2025

Uma nanofita de grafeno conecta moléculas de porfirina - cada uma com um centro metálico (vermelho) - como um cordão molecular de luzes de Natal. Os átomos metálicos são mantidos no lugar por quatro átomos de nitrogênio (azul) dentro do núcleo de porfirina.[Imagem: Empa]

Vida além da eletrônica

Uma equipe da Alemanha e da Suíça conseguiu pela primeira vez criar uma arquitetura que conecta metais a moléculas essenciais para a química orgânica, incluindo a vida. E o mais interessante é que são moléculas práticas para a chamada eletrônica orgânica, ou eletrônica de plástico.

A química orgânica, a química dos compostos de carbono, é a base de toda a vida na Terra, mas os metais também desempenham um papel fundamental em muitos processos bioquímicos. Quando se trata de "casar" átomos grandes e pesados de metais com compostos orgânicos, que são mais leves, a natureza frequentemente se baseia em um grupo específico de estruturas químicas: as porfirinas.

As porfirinas formam um anel orgânico, alojando em seu centro íons metálicos individuais, como ferro, cobalto ou magnésio. Essas moléculas formam a base da hemoglobina no sangue humano, da clorofila fotossintética nas plantas e de inúmeras enzimas.

Para que componentes eletrônicos - incluindo os futuros componentes eletrônicos moleculares - funcionem, eles precisam estar conectados uns aos outros. Como conectar moléculas orgânicas individuais não é uma tarefa fácil, Feifei Xiang e seus colegas desenvolveram uma técnica para explorar a flexibilidade e as funcionalidades das porfirinas, e eles fizeram isso conectando as porfirinas a uma nanofita de grafeno de uma maneira perfeitamente precisa e bem definida.

Precisão máxima: A técnica permite sintetizar a estrutura molecular com precisão atômica (Em cima: microscopia de tunelamento de varredura; embaixo: microscopia de força atômica sem contato).[Imagem: Empa]

Duplo magnetismo e tecnologias quânticas

Os resultados foram ainda melhores do que se esperava.

"Nossa fita de grafeno apresenta um tipo especial de magnetismo graças à sua borda em zigue-zague," explicou Xiang, atualmente no Laboratório Federal Suíço de Ciência e Tecnologia de Materiais (EMPA). Os átomos metálicos nas moléculas de porfirina, por sua vez, são magnéticos de uma forma mais convencional.

A chave para a convivência desses dois tipos de magnetismo está nos elétrons que fornecem o spin responsável pelo magnetismo. Enquanto os elétrons portadores de spin no centro metálico permanecem localizados no átomo metálico, os elétrons correspondentes na fita de grafeno se espalham por ambas as bordas. "Graças ao acoplamento das porfirinas à estrutura do grafeno, conseguimos combinar e conectar os dois tipos de magnetismo em um único sistema," explicou Oliver Groning, do Instituto Max Planck de Pesquisa de Polímeros.

Essa combinação de magnetismos abre muitas portas no campo da eletrônica molecular - mas vai muito além disso - porque a fita de grafeno serve como condutor elétrico e magnético, uma espécie de cabo multifuncional, em nanoescala, entre as moléculas de porfirina.

Além da eletrônica, o magnetismo correlacionado dessas nanofitas de grafeno é particularmente promissor para aplicações em spintrônica e em tecnologias quânticas, onde o spin subjacente ao magnetismo atua como um transportador de informações. "Nossa fita de grafeno com as porfirinas poderá funcionar como uma série de qubits interconectados," disse o professor Roman Fasel, cuja equipe vem trabalhando na construção de cadeias de qubits e mesmo em uma tecnologia quântica baseada no carbono.

Diferentes metais geram diferentes efeitos no material.[Imagem: Feifei Xiang et al. - 10.1038/s41557-025-01887-9]

Emissão de luz e sensores químicos

Mas isso não é tudo: As porfirinas também são pigmentos naturais, como observado em moléculas da vida, como a clorofila e a hemoglobina.

Para os cientistas de materiais, isso significa que os centros de porfirina são opticamente ativos. E a óptica é uma forma importante de interagir com as propriedades eletrônicas e magnéticas das cadeias moleculares. Por exemplo, as porfirinas podem emitir luz cujo comprimento de onda muda com o estado magnético de todo o sistema molecular, uma espécie de sequência molecular de luzes, onde a informação pode ser lida por mudanças sutis na cor.

O processo inverso também é possível: As porfirinas podem ser excitadas pela luz, influenciando assim a condutividade e o magnetismo da estrutura de grafeno, criando moléculas polivalentes que funcionem como sensores químicos.

"Nosso sistema é uma caixa de ferramentas que pode ser usada para ajustar diferentes propriedades," disse Fasel, anunciando que sua equipe agora planeja explorar diferentes centros metálicos dentro das porfirinas e investigar os efeitos de cada um, além de ampliar a estrutura da fita de grafeno, dando ao seu sistema molecular uma base eletrônica ainda mais versátil.

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