Un nuevo complejo de manganeso promete revolucionar la química fotónica

La mayoría de las reacciones químicas dependen del calor para avanzar, pero la luz ha cobrado importancia como una alternativa viable. Este enfoque, conocido como fotociencia, permite guiar reacciones con un control extremadamente preciso. Hasta ahora, muchos de estos procesos impulsados por luz dependían de metales como el rutenio, osmio o iridio, elementos costosos y escasos que generan preocupaciones ambientales durante su extracción.

Un equipo de investigadores de la Universidad Johannes Gutenberg Mainz (JGU) desarrolló un nuevo complejo metálico basado en el manganeso, un elemento ampliamente disponible y económico. "Este complejo metálico establece un nuevo estándar en fotociencia: combina una vida útil de estado excitado récord con una síntesis simple", explicó la profesora Katja Heinze del Departamento de Química de la JGU. "Así, ofrece una alternativa poderosa y sostenible a los complejos de metales nobles que han dominado la química impulsada por luz durante mucho tiempo". El estudio fue publicado recientemente en Nature Communications.

Un camino de un solo paso hacia un complejo de manganeso de alto rendimiento

El manganeso es más de 100,000 veces más común en la Tierra que el rutenio, pero rara vez se ha utilizado con éxito en sistemas fotocatalíticos. Dos obstáculos principales habían limitado su uso: la mayoría de los complejos de manganeso requerían una síntesis larga y complicada que involucraba nueve o diez pasos, y típicamente tenían vidas útiles de estado excitado muy cortas.

El nuevo complejo de manganeso supera ambos desafíos, según el doctor Nathan East, un exestudiante de doctorado en el grupo de Heinze que llevó a cabo la síntesis inicial. El equipo creó el material directamente a partir de ingredientes disponibles comercialmente en un solo paso de síntesis.

Para ajustar el comportamiento del complejo, los investigadores combinaron manganeso con un ligando que modifica sus propiedades electrónicas. Según Sandra Kronenberger, quien investigó el complejo como estudiante de doctorado en el grupo de Heinze en el Centro de Graduados de Max Planck, mezclar una sal de manganeso incolora con un ligando incoloro produjo una solución púrpura intensa inesperadamente, similar a la tinta. Este color llamativo indicó que el complejo se había formado de una manera inusual.

El doctor Christoph Förster, quien contribuyó con cálculos químicos cuánticos, enfatizó que el complejo hace mucho más que simplemente lucir inusual. Su capacidad para absorber luz es extremadamente fuerte, lo que le otorga una alta probabilidad de capturar partículas de luz entrantes. Como resultado, utiliza la energía luminosa con una eficiencia excepcional.

Comportamiento de estado excitado récord

"La vida útil del complejo de 190 nanosegundos es también notable. Esto es dos órdenes de magnitud más largo que cualquier complejo conocido previamente que contenga metales comunes como el hierro o el manganeso", afirmó el doctor Robert Naumann, el espectroscopista principal que analizó cómo se comporta el estado excitado utilizando espectroscopía de luminiscencia. En fotociencia, la luz energiza el catalizador, y el catalizador excitado debe encontrarse con otra molécula a través de difusión para transferir un electrón. Dado que este encuentro puede tardar varios nanosegundos, un estado excitado de larga duración es esencial.

Los investigadores también confirmaron que el complejo realiza este paso clave. "Pudimos detectar el producto inicial de la fotoreacción: la transferencia de electrones que ocurrió, y así probar que el complejo reacciona como se deseaba", comentó la profesora Heinze.

Potencial para fotociencia limpia y escalable

Este avance amplía las posibilidades para sistemas fotocatalíticos sostenibles. Con su síntesis simple y escalable, fuerte absorción de luz, características fotofísicas estables y estado excitado de larga duración, el material basado en manganeso podría respaldar futuras aplicaciones fotocatalíticas a gran escala. Tales capacidades pueden ser especialmente prometedoras para tecnologías relacionadas con la producción sostenible de hidrógeno.