Obtienen imágenes de cómo se rompen y se forman las moléculas

Conseguir una imagen de una molécula mientras está sufriendo una reacción ha sido considerado uno de los santos griales de la química. Científicos de la Universidad de Berkeley (California, EE UU) y de la Universidad del País Vasco/EHU han logrado, por primera vez, fotografiar con gran precisión una molécula antes e inmediatamente después de una reacción orgánica compleja. Las imágenes permiten apreciar los procesos de ruptura y creación de enlaces entre los átomos que componen la molécula.

El artículo apareció la semana pasada entre las investigaciones destacadas por la edición online Science Express de Science, y saldrá a mediados de junio en la edición en papel. El primer autor del artículo es Dimas Oteyza, que acaba de reincorporarse al Centro de Física de Materiales CSIC-UPV/EHU tras su estancia postdoctoral en Berkeley.

Las reacciones químicas orgánicas son, en general, los procesos fundamentales que subyacen en toda la biología, así como en importantísimos procesos industriales, como, por ejemplo, la producción de combustible líquido.

Los modelos estructurales de moléculas en los que tradicionalmente se ha confiado para comprender estos procesos provienen de medias que se han calculado sobre medidas indirectas de un enorme número de moléculas (del orden de 1020), así como de cálculos teóricos. Nadie había tomado antes imágenes de moléculas individuales antes e inmediatamente después de una reacción orgánica compleja.

"La importancia de nuestro descubrimiento es que hemos sido capaces de obtener imágenes detalladas de las estructuras en las que una molécula se puede transformar sobre una superficie, y de esa manera hemos podido determinar los movimientos atómicos que subyacen en esas transformaciones químicas", explica Ángel Rubio, catedrático de la UPV/EHU e investigador del Centro de Fisica de Materiales CSIC-UPV/EHU y del Donostia International Physics Center, en la nota de prensa de la UPV.

En concreto, los investigadores han captado imágenes de alta definición de un oligo-enediyne (una molécula simple compuesta por tres anillos de benceno enlazados por átomos de carbono) depositados en una superficie plana de oro.

La técnica utilizada es la llamada non-contact Atomic Force Microscopy (nc-AFM), que se basa en un instrumento con una sonda táctil extraordinariamente sensible. Este microscopio de fuerza atómica utiliza una aguja muy fina que puede detectar las más pequeñas protuberancias a escala atómica, de forma parecida a la que usamos para leer una palabra escrita en Braille con las yemas de los dedos.

Como las moléculas de oligo-enediyne son tan pequeñas (~10 nanómetros), la punta de la sonda se configuró para que consistiera en un único átomo de oxígeno. Ese átomo provenía de una única molécula de monóxido de carbono, CO, adsorbida en la punta del microscopio AFM y actúa como "dedo" en la lectura táctil.

"Dedo" atómico

Moviendo este "dedo" atómico adelante y atrás a lo largo de la superficie, obtuvieron perfiles que correspondían con las posiciones precisas de los átomos y los enlaces químicos del oligo-enediyne.

Avances recientes en esta técnica de microscopía la han hecho tan precisa que los investigadores han podido incluso distinguir si los enlaces entre los átomos de carbono eran simples, dobles o triples.

Después, calentaron la superficie en la que se encontraban las moléculas, induciendo una reacción química relacionada estrechamente con las ciclizaciones. Las ciclizaciones, descubiertas por el profesor Bergman, de la Universidad de Berkeley, a comienzos de los años 70, consisten en la formación de anillos aromáticos, es decir, átomos de carbono enlazados en cadenas se pliegan en forma de anillo.

"Los perfiles que registramos tras hacer reaccionar las moléculas muestran claramente cómo se forman nuevos enlaces químicos y cómo los átomos dentro de las moléculas se reorganizan para formar nuevas estructuras", explica Dimas Oteyza. Los resultados se han podido interpretar y analizar microscópicamente gracias a simulaciones realizadas en el grupo de Angel Rubio.

Además de conseguir una sorprendente confirmación visual de los mecanismos microscópicos que subyacen a las reacciones químicas orgánicas predichas teóricamente, este trabajo tiene relevancia para la fabricación de nuevos materiales y aparatos electrónicos de medida de alta precisión a escala nanométrica.

Han participado también en el artículo los grupos de Felix Fischer (Departamento de Química de la Universidad de Berkeley) y de Michael Crommie (Departamento de Física de la Universidad de Berkeley).

Referencia bibliográfica:

Dimas G. de Oteyza, Patrick Gorman, Yen-Chia Chen, Sebastian Wickenburg, Alexander Riss, Duncan J. Mowbray, Grisha Etkin, Zahra Pedramrazi, Hsin-Zon Tsai, Ángel Rubio, Michael F. Crommie, Felix R. Fischer. Direct Imaging of Covalent Bond Structure in Single-Molecule Chemical Reactions. Science Express (2013). DOI:10.1126/science.1238187.