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El material puede experimentar distintas transformaciones químicas al recibir luz o calentarse, y emitir un destello azul cuando se somete a una acción mecánica. El avance abre nuevas vías de investigación en materiales funcionales para sensores, recubrimientos inteligentes y dispositivos emisores de luz.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Missouri (Estados Unidos) ha desarrollado un material molecular sólido capaz de responder de forma diferente ante tres estímulos externos: la luz, el calor y la fuerza mecánica. El trabajo demuestra cómo la disposición de las moléculas dentro de un sólido puede programarse para desencadenar distintas transformaciones químicas y respuestas físicas.
La investigación, liderada por Kristin Hutchins, profesora asociada de Química de la universidad e investigadora del Instituto de Ciencia e Ingeniería de Materiales, aborda uno de los retos del diseño de materiales funcionales: conseguir que una misma estructura molecular responda a diferentes estímulos mediante mecanismos diferenciados.
Cuando el material se expone a la luz, cambia de amarillo a blanco como consecuencia de una reacción química que une moléculas próximas. Al calentarlo, se produce una segunda transformación: las moléculas se separan y reorganizan, desencadenando otra reacción. Según el equipo, se trata de la primera demostración de dos reacciones consecutivas de este tipo en un material sólido.
La tercera respuesta se descubrió durante la manipulación de las muestras. Al rayar la superficie del material, se produjo un breve destello azul. Las pruebas posteriores confirmaron que la aplicación de fuerza física podía provocar esta emisión luminosa, un fenómeno relacionado con la respuesta mecánica del material.
El estudio se basa en el diseño de derivados de ésteres de antraceno, cuyas moléculas se organizan en estado sólido para favorecer distintas rutas de reacción. Los investigadores combinaron estrategias de diseño molecular y supramolecular con cálculos de mecánica cuántica para orientar las transformaciones en función del estímulo aplicado.
En concreto, la irradiación lumínica permite activar reacciones de cicloadición [4+4], mientras que el tratamiento térmico puede desencadenar reacciones de tipo Diels-Alder [4+2]. El trabajo también describe una secuencia de reacciones en cascada que permite obtener productos mediante transformaciones sucesivas en estado sólido.
Los autores estudiaron asimismo la posibilidad de utilizar la luz solar como estímulo. En los ensayos descritos, la exposición de las muestras a la luz solar durante cuatro horas provocó el cambio de color asociado a la transformación fotoquímica, con rendimientos próximos a la conversión cuantitativa en las condiciones experimentales estudiadas.
La investigación aporta una estrategia para diseñar materiales que no se limiten a una única función, sino que incorporen distintas respuestas en una misma estructura molecular. Entre las posibles aplicaciones futuras, el equipo señala el desarrollo de sensores, recubrimientos inteligentes, tecnologías vestibles y materiales emisores de luz capaces de reaccionar ante cambios de temperatura, iluminación o esfuerzos mecánicos.
No obstante, estas aplicaciones se encuentran todavía en una fase de investigación y requerirán nuevos trabajos para evaluar su viabilidad y comportamiento en condiciones de uso. El principal resultado del estudio es demostrar que la organización molecular permite programar varias respuestas diferenciadas en un mismo material sólido.
“Podemos empezar a considerar los materiales menos como objetos estáticos y más como sistemas con distintas posibilidades incorporadas”, explica Kristin Hutchins. La investigadora destaca que la organización de las moléculas puede determinar qué sucede cuando el material recibe luz, calor o una fuerza externa.
El trabajo, titulado Heat- and Light-Directed Cycloadditions Enable a Pericyclic Cascade Reaction From a Molecular Precursor, se ha publicado en la revista Angewandte Chemie International Edition. Liulei Ma figura como primer autor, junto con investigadores de la Universidad de Missouri y de Northeastern University.
Fuente: Artículo científico en Angewandte Chemie International Edition
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