El Centro Singular de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CiQUS) de la Universidade de Santiago de Compostela (USC) ha desarrollado una nueva estrategia para obtener estructuras orgánicas covalentes (COF) con propiedades semiconductoras sin recurrir al dopaje químico, una metodología que podría abrir nuevas posibilidades para el desarrollo de materiales destinados a aplicaciones electrónicas y de almacenamiento de energía.
Los COF (Covalent Organic Frameworks) son materiales formados por moléculas orgánicas conectadas mediante enlaces covalentes que generan estructuras ordenadas, cristalinas y con poros de tamaño nanométrico. Esta combinación de propiedades los convierte en materiales de interés para aplicaciones que van desde la electrónica y los sensores hasta el almacenamiento de energía. Sin embargo, conseguir que estos materiales conduzcan la electricidad de forma eficiente presenta un reto: habitualmente es necesario introducir sustancias externas —los llamados dopantes— que aportan los portadores de carga necesarios para generar conductividad. Este proceso puede alterar la estructura del material, reduciendo su cristalinidad, porosidad y estabilidad.
El trabajo desarrollado en el CiQUS propone una alternativa: incorporar directamente en la estructura del COF moléculas radicalarias capaces de aportar portadores de carga, evitando así la necesidad de añadir dopantes después de su síntesis. Para ello, los investigadores han utilizado como bloques de construcción radicales orgánicos neutros de trioxotrianguleno (TOT), unas moléculas caracterizadas por una elevada deslocalización del espín y una notable estabilidad.
La estrategia ha permitido obtener un COF cristalino que presenta comportamiento semiconductor y una conductividad eléctrica a temperatura ambiente entre las más elevadas descritas hasta ahora para COF neutros y no dopados. Al mismo tiempo, el material conserva una elevada porosidad, con una superficie específica superior a 1.200 m² por gramo.
Una estrategia para diseñar nuevos materiales funcionales
Una de las claves del trabajo es que los radicales TOT no actúan simplemente como un componente añadido al material, sino que forman parte de su propia estructura molecular. Sus electrones desapareados pueden generar portadores de carga sin necesidad de introducir contraiones u otras especies químicas externas. Además, la disposición ordenada de estas unidades dentro de la estructura favorece el transporte de carga a través del material.
El resultado es especialmente relevante porque permite combinar características que no siempre son fáciles de mantener simultáneamente: conductividad eléctrica, cristalinidad y porosidad. El estudio demuestra además que la estructura puede modificarse mediante la elección de distintos componentes y enlaces, abriendo un espacio de diseño para ajustar las propiedades electrónicas de estos materiales.
Esta versatilidad podría resultar de interés en el futuro para el desarrollo de materiales destinados a electrónica, espintrónica, sensores, dispositivos electroquímicos y almacenamiento de energía. En particular, la presencia de unidades de TOT, que pueden aceptar electrones de forma reversible, apunta también a posibles aplicaciones como materiales activos en baterías. Se trata, no obstante, de líneas de trabajo que deberán ser exploradas en investigaciones posteriores.
Image: Angew. Chem., Int. Ed.
La colaboración entre grupos, un elemento clave
El estudio es también un ejemplo de las sinergias entre distintas capacidades de investigación del CiQUS. En el trabajo participan investigadores de los grupos liderados por Manuel Souto, Diego Peña y Francisco Rivadulla, que han contribuido desde diferentes perspectivas al diseño, síntesis, caracterización y estudio de las propiedades de los nuevos materiales. La investigación incorpora además la colaboración de investigadores del CICECO-Aveiro Institute of Materials de la Universidade de Aveiro, en Portugal.
El trabajo ha sido publicado en Angewandte Chemie International Edition, una de las revistas internacionales de referencia en el ámbito de la química, con el título “Semiconducting Covalent Organic Frameworks Based on Spin-Delocalized Trioxotriangulene Neutral Radicals”.
La relevancia del avance ha sido recogida también por Chemical & Engineering News (C&EN), publicación de referencia de la American Chemical Society, que ha destacado la estrategia desarrollada por los investigadores gallegos como una nueva vía para obtener COF semiconductores sin dopantes.
El CiQUS cuenta con el reconocimiento CIGUS de la Xunta de Galicia, que acredita la calidad e impacto de su investigación, y con la acreditación María de Maeztu como Unidad de Excelencia. Además recibe apoyo financiero de la Unión Europea a través del Programa Galicia FEDER 2021-2027.
Referencia
P. Escamilla, S. Trigo-Pérez, R. Ramos, R. Ortiz, M. Vilas-Varela, D. Peña, M. Melle-Franco, F. Rivadulla, M. Souto, “Semiconducting Covalent Organic Frameworks Based on Spin-Delocalized Trioxotriangulene Neutral Radicals”, Angewandte Chemie International Edition (2026), e6104022. https://doi.org/10.1002/anie.6104022
Investigadores del CiQUS participantes en el estudio. De izquierda a derecha: M. Souto, P. Escamilla, S. Trigo, R. Ramos, F. Rivadulla y D. Peña