Primera fotografía del movimiento de átomos durante la reacción de una molécula

Conseguir una imagen de una molécula mientras está sufriendo una reacción ha sido considerado uno de los santos griales de la química. Pero ahora científicos de la Universidad de California en Berkeley (EE UU) y de la Universidad del País Vasco (UPV/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, según revela el estudio que aparece esta semana en Science Express y que saldrá a mediados de junio en la edición en papel de Science. 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.

Los modelos estructurales de moléculas en los que tradicionalmente se ha confiado para comprender las reacciones provienen de medias calculadas sobre medidas indirectas de un enorme número de moléculas –del orden de 1020–, así como de cálculos teóricos, pero nadie había tomado antes imágenes de moléculas individuales antes y justo después de una reacción como la estudiada.

“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 y coautor del trabajo.

Imágenes en alta definición

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 plata. 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 utilizamos para leer una palabra escrita en Braille con las yemas de los dedos. Como las moléculas de oligo-enediyne son tan pequeñas (10^–9 m), la punta de la sonda se configuró para que consistiera en un único átomo de oxígeno. Ese átomo proviene de una única molécula de monóxido de carbono, CO, adsorbida en la punta del microscopio AFM y actúa como 'dedo' en la lectura táctil.

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 microscopia 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 Ángel 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 –según los autores– para la fabricación de nuevos materiales y aparatos electrónicos de medida de alta precisión a escala nanométrica.