Estruturas orgânicas covalentes (COFs) representam um material energético promissor com a capacidade de aproveitar, converter e armazenar energia. Apesar de ser relativamente jovem, esta classe de material possui imenso potencial para aplicações em tecnologia de baterias e fabricação de hidrogênio.
No entanto, a síntese de COFs permaneceu um desafio para os cientistas nas últimas duas décadas, muitas vezes contando com tentativa e erro devido à falta de compreensão do processo de síntese.
Para resolver isso, o Prof. Emiliano Cortés, Professor de Física Experimental e Conversão de Energia na LMU, e Christoph Gruber, que está pesquisando este tópico na equipe de Cortés, colaboraram com o grupo de pesquisa da química da LMU Prof. síntese de COFs, para investigar o mecanismo de formação de COFs em nível nano.
Usando um microscópio especial, a equipe acompanhou o mecanismo de formação dos COFs, levando a resultados inovadores publicados na revista Nature. Estes foram acompanhados por um vídeo mostrando os processos que ocorrem durante a síntese em tempo real.
A síntese das estruturas moleculares exige um controle preciso da reação e da automontagem dos blocos de construção moleculares presentes. “Somente quando se tem esse controle é provável obter uma estrutura altamente cristalina com uma ordem extensa e, em última análise, a funcionalidade desejada”, diz Medina. “No entanto, o nosso conhecimento, especialmente sobre as fases iniciais da nucleação e do crescimento, está cheio de lacunas. E isto frustrou o desenvolvimento de protocolos de síntese eficazes. Ficamos, portanto, extremamente intrigados em visualizar a reação à medida que ela se desenrola e focar nos estágios iniciais, quando os componentes moleculares misturados estão começando a reagir.”
A investigação pioneira de Gruber sobre a formação de COF começou com uma abordagem aparentemente não convencional: microscopia iSCAT (espalhamento interferométrico), que é normalmente usada por biofísicos para estudar interações proteicas.
“O princípio de medição baseia-se no fato de que mesmo as partículas mais ínfimas, compostas por apenas algumas moléculas, dispersam a luz incidente. Se estas ondas de luz dispersas se sobrepõem, obtemos interferência – tal como as ondas de água numa piscina. Ou seja, obtemos ondas maiores e menores dependendo de como as ondas se sobrepõem. Registramos esses padrões de luz com uma câmera de alta resolução e, com posterior processamento de imagem, obtemos imagens que revelam, por exemplo, partículas de COF em nanoescala”, explica Gruber.
O método iSCAT é adequado para capturar processos dinâmicos em tempo real, permitindo aos pesquisadores observar a síntese ao vivo. Este controle preciso sobre a automontagem molecular é crucial para a síntese de estruturas moleculares.
Após o início da reação, os pesquisadores ficaram surpresos ao testemunhar o surgimento de estruturas minúsculas dentro do meio de reação transparente.
“As imagens nos mostraram que gotículas em escala nanométrica podem desempenhar um papel essencial na síntese. Embora sejam extremamente pequenos, eles controlam toda a cinética no início da reação”, diz Gruber. “Nada se sabia sobre a sua existência até agora, mas para a formação dos COFs que estudamos, as nanogotículas revelaram-se extremamente importantes. Se eles estiverem ausentes, toda a reação acontece muito rapidamente e a ordem desejada é perdida.”
Usando o método iSCAT, a equipe do LMU conseguiu gravar um filme mostrando a formação das estruturas moleculares desde o início – com sensibilidade de apenas alguns nanômetros. “As técnicas existentes não conseguiam capturar o início da reação, com esses processos em nanoescala e com duração de milissegundos, em tempo real”, diz Cortés. “Através da nossa investigação, conseguimos agora colmatar esta lacuna no nosso conhecimento. Ao mesmo tempo, estamos a obter uma imagem holística das fases iniciais da reacção e da formação progressiva dos COF.”
Além disso, os pesquisadores utilizaram imagens de vídeo e análises subsequentes para desenvolver um conceito de síntese com eficiência energética. “Com base em nossos resultados, descobrimos como projetar racionalmente as condições de reação”, explica Medina. “Ao adicionar sal de cozinha normal, por exemplo, conseguimos reduzir enormemente a temperatura, de modo que as estruturas moleculares se formam à temperatura ambiente, em oposição a 120 graus Celsius.”
Os investigadores estão confiantes de que as suas descobertas irão revolucionar a abordagem de síntese de mais de 300 COFs diferentes, impulsionando potencialmente avanços na produção industrial de COF. Além disso, as implicações dos resultados podem estender-se à síntese de outros materiais e reações químicas que não foram previamente observadas em tempo real. Os pesquisadores da LMU estão entusiasmados em capturar novos desempenhos moleculares em filme.
Referência do diário:
- Christoph G. Gruber, Laura Frey, Roman Guntermann, Dana D. Medina e Emiliano Cortés. Estágios iniciais da formação da estrutura orgânica covalente visualizados em operando. Natureza, 2024; DOI: 10.1038/s41586-024-07483-0
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