Todos los materiales de carbono de baja dimensionalidad (grafito, 2D; nanotubos de carbono (CNTs, por sus siglas en inglés), 1D; fulerenos, 0D) se consideran como bloques de construcción importantes "bottom-up" en nanotecnología y nanofabricación. En el caso de los fulerenos y sus derivados, los aspectos de interés particular son los dispositivos supramoleculares con aplicaciones en la conversión y almacenamiento de energía, almacenamiento de información y nanosensores. Combinando los nanotubos de carbono con una amplia clase de especies moleculares que den origen a nanomateriales, es promisorio para la fabricación de dispositivos nanoelectrónicos y nanoelectromecánicos, sensores biológicos y químicos, celdas de combustible, compuestos con excelentes propiedades mecánicas, nanocatalizadores, etc. En el caso de grafito, el uso de su superficie como soporte para las capas 2D moleculares autoensembladas ofrece una ruta para el diseño de nanodispositivos ajustables, nanosensores, sistemas de la conversión de energía solar, entre otros. Por otro lado, en los últimos años ha aumentado considerablemente la investigación de las interacciones covalentes y no-covalentes de porfirinas y otros compuestos macrocícliclos con nanomateriales de carbono. La funcionalización no covalente de CNTs con porfirinas está basada en las interacciones pi-pi entre los dos componentes que poseen electrones pi altamente deslocalizados. Su ventaja indiscutible comparada con las técnicas de funcionalización covalente, es que la no covalente se enfoca en no perturbar la estructura electrónica intrínseca de los nanotubos, manteniéndola totalmente intacta y permitiendo la introducción de altas concentraciones de grupos modificantes. Por otro lado, la funcionalización covalente tiene sus ventajas, ya que permite una immobilización de las moléculas macrocíclicas más segura. En este trabajo combinado teórico-experimental, el papel central tendría el desarrollo de las técnicas novedosas y ecológicamente amigables de la funcionalización química tanto covalente como no-covalente con los compuestos macrocíclicos, tales como: meso-tetraarilporfinas (por ejemplo, meso-tetrafenilporfina y sus complejos con metales de transición), ftalocianinas (de cobre(II), por ejemplo) y de éteres corona amino-sustituidos. Como los métodos de caracterización experimental de los productos obtenidos, se utilizará una amplia gama de los métodos microscópicos y espectroscópicos (TEM, HRTEM, SEM, AFM, STM, espectroscopía Raman e infrarrojo, TGA, etc.), lo que nos permitirán averiguar en que estado existen las moléculas macrocíclicas en sus estructuras híbridas con los materiales de carbono de baja dimensionalidad. Ya que en la nanociencia moderna, aparte de los estudios experimentales, los métodos computacionales también juegan un papel de suma importancia para explicar y/o predecir los resultados experimentales, la presente propuesta pretende hacer un intento sistemático de optimizar el uso de las técnicas computacionales de distintos niveles de precisión (desde la mecánica molecular hasta la teoría de los funcionales de la densidad) para obtener una información relevante sobre los sistemas tan complejos como los materiales de carbono de baja dimensionalidad funcionalizados con los compuestos macrocíclicos.

La química de los materiales de carbono de baja dimensionalidad (grafito, nanotubos de carbono y fulerenos, o sea 2-D, 1-D y 0-D, respectivamente) es una de las lineas más importantes y prestigiosas en toda el area de nanomateriales y nanofabricación. La caracterización detallada de las interacciones de estos materiales moléculas orgánicas y bioorgánicas es una tarea superimportante, pero sumamente complicada. Nuestro grupo de investigación ya ha demostrado su capacidad de contribuir a nivel mundial en esta área, a través de aproximadamente 70 artículos publicados, aceptados y en prensa en el área de nanociencias en revistas internacionales de alto impacto, ya citados por un alto número de otros autores. Además, hemos editado cinco libros (cuatro publicados en EE.UU. y uno en la India) dedicados al tema de nanotubos de carbono y la química computacional en la química de materiales y superficies. El apoyo a través de este proyecto, nos permitiría fortalecer aun más la autoridad tanto de nuestro grupo de investigación como de la ciencia Mexicana, mediante elaboración y publicación de nuevos resultados de la más alta calidad a nivel mundial, en el área de la química de materiales de carbono de baja dimensionalidad. La investigación de las interacciones covalentes y no-covalentes de porfirinas y otros compuestos macrocícliclos con nanomateriales de carbono ha aumentado considerablemente en los últimos años. La funcionalización no covalente de CNTs con porfirinas está basada en las interacciones pi-pi entre los dos componentes que poseen electrones pi altamente deslocalizados. Su ventaja indiscutible comparada con las técnicas de funcionalización covalente, es que la no covalente se enfoca en no perturbar la estructura electrónica intrínseca de los nanotubos, manteniéndola totalmente intacta y permitiendo la introducción de altas concentraciones de grupos modificantes. Por otro lado, la funcionalización covalente tiene sus ventajas, ya que permite una immobilización de las moléculas macrocíclicas más segura. Debido a la amplia gama de aplicaciones de las porfirinas, ha aumentado el interés en la obtención de arquitecturas autoensambladas bien definidas con alineamiento molecular preciso y una periodicidad ajustable sobre soportes sólidos. Los autoensambles permiten transferir las propiedades de las porfirinas a una superficie homogénea, y en conjunto realizar funciones inalcanzables para sus componentes individuales. Un soporte adecuado para la formación de autoensambles de porfirinas (o cualquier otro bloque de construcción) es al que exhiben una alta afinidad, pero que a la vez les permite la movilidad superficial suficiente para desplazarse y encontrar la arquitectura termodinámicamente más estable. En este trabajo combinado teórico-experimental, el papel central tendría el desarrollo de las técnicas novedosas y ecológicamente amigables de la funcionalización química tanto covalente como no-covalente con los compuestos macrocíclicos, tales como: meso-tetraarilporfinas (por ejemplo, meso-tetrafenilporfina y sus complejos con metales de transición), ftalocianinas (de cobre(II), por ejemplo) y de éteres corona amino-sustituidos. Entre los métodos de caracterización experimental, el enfoque principal se haría en el uso de la microscopía de tunelaje de barrido (STM), que en conjunto con otros métodos (TEM, HRTEM, SEM, AFM, espectroscopía Raman e infrarrojo, etc.) nos permitiría acercar a la escala nano, para visualizar y idealmente “ver” directamente en que estado existen las moléculas macrocíclicas en sus estructuras híbridas con los materiales de carbono de baja dimensionalidad. En la nanociencia moderna, aparte de los estudios experimentales, los métodos computacionales también juegan un papel de suma importancia para explicar y/o predecir los resultados experimentales. Lamentablemente, en el caso particular de las interacciones covalentes y no-covalentes entre los compuestos macrocíclicos y los materiales de carbono de baja dimensionalidad existe una falta obvia de desarrollo tanto de los modelos apropiados para los materiales de carbono (con excepción de fulereno C60, que es una molécula relativamente pequeña), como de los métodos computacionales que podrían proporcionar resultados confiables. La presente propuesta pretende hacer un intento sistemático de optimizar el uso de las técnicas computacionales de distintos niveles de precisión (desde la mecánica molecular hasta la teoría de los funcionales de la densidad) para obtener una información relevante sobre los sistemas tan complejos como los materiales de carbono de baja dimensionalidad funcionalizados con los compuestos macrocíclicos. En el aspecto de productividad académica, vamos a seguir publicando nuestros resultados en las revistas internacionales de prestigio, por lo menos 2-3 artículos al año, igual como contribuir a la formación de recursos humanos en el área de nanociencia y nanotecnología, principalmente a nivel de posgrado.