Molécula de la sangre humana + grafeno = material para los biocomputadores del futuro

La química orgánica estudia los compuestos de carbono y se considera la base de toda la vida en la Tierra. Pero no solo el carbono juega un papel clave: muchos procesos bioquímicos dependen también de los metales. En la naturaleza, para unir compuestos orgánicos ligeros con átomos metálicos pesados suelen emplearse estructuras especiales: las porfirinas. Estas moléculas forman un anillo orgánico con un ion metálico fijado en el centro, por ejemplo hierro, cobalto o magnesio. Sobre porfirinas se construyen sistemas fundamentales como la hemoglobina en la sangre humana o la clorofila en las plantas. Según el metal "capturado", las propiedades de estos compuestos cambian radicalmente, lo que desde hace tiempo atrae la atención de químicos y científicos de materiales, también en el campo de la electrónica molecular.

Para que estos componentes moleculares funcionen, deben conectarse entre sí, y eso resultó una tarea complicada. Investigadores del laboratorio Empa, junto con químicos del Instituto de Investigación de Polímeros de la Sociedad Max Planck, lograron precisamente eso: fijaron porfirinas a una nanocinta de grafeno con precisión absoluta. Los resultados se publicaron en la revista Nature Chemistry.

Las nanocintas de grafeno son tiras estrechas del material bidimensional grafeno, cuyas propiedades dependen del ancho y de la forma de sus bordes. En el trabajo se utilizó una cinta de apenas un nanómetro de ancho con los llamados bordes en zigzag. A lo largo de esos bordes las porfirinas se ordenaron de forma regular, alternando a ambos lados. Ese "andamiaje" permitió combinar dos tipos de magnetismo: el generado por el centro metálico de la porfirina y el magnetismo particular que surge en la propia nanocinta de grafeno.

Los científicos señalan que esa combinación abre amplias perspectivas. La nanocinta de grafeno aquí actúa no solo como conductor eléctrico, sino también como un "cable magnético" a escala nanométrica. Esto puede aplicarse en tecnologías cuánticas, donde el espín —fuente del magnetismo— sirve como portador de información. Los investigadores suponen que esas cadenas podrían funcionar como una serie de qubits acoplados.

También son interesantes las propiedades ópticas del sistema. Las porfirinas son pigmentos naturales, por lo que pueden interactuar con la luz. Esto permite usarlas para leer información mediante cambios en el color de la emisión o, al contrario, para controlar la conductividad y el magnetismo con luz. Además, la modificación química de las porfirinas ofrece la posibilidad de ajustarlas para sensores que reaccionen ante sustancias concretas.

La creación de estas nanoestructuras resultó extremadamente compleja. Los químicos del Instituto Max Planck sintetizaron precursores especiales de las moléculas con un núcleo porfirínico y anillos de carbono colocados con precisión. Después fueron sometidos a un tratamiento térmico a altas temperaturas en ultra alto vacío sobre una superficie de oro, lo que permitió ensamblar la cadena con precisión atómica. Ahora el equipo de Empa trabaja para convertir estos nanomateriales en la base de futuras tecnologías cuánticas.