Hasta hace muy poco las moléculas no se veían. Sus propiedades geométricas y químicas, así como la naturaleza y propiedades de los productos en que se convierten cuando sufren una reacción química, se deducían de datos espectroscópicos (rayos X, resonancia magnética nuclear, infrarrojo, ultravioleta…). Recientemente se han presentado estudios que demuestran que no solo se pueden ver las moléculas, sino sus enlaces, e incluso diferenciar su orden. Pero ahora, un equipo de químicos y físicos norteamericanos y españoles ha dado un paso más mostrando que en ciertos casos se puede ver cómo es una molécula y sus enlaces antes y después de experimentar una reacción química.
Los españoles Ángel Rubio y Dimas G. de Oteyza, adscritos al Centro de Física de Materiales del CSIC, el Centro Internacional de Física de Donostia y la Universidad del País Vasco, junto a un equipo norteamericano comandado por el químico Felix R. Fischer y el físico Michael F. Crommie, del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, han conseguido ver con un microscopio de fuerzas atómicas sin contacto un conjunto de moléculas de la familia de los oligo-(fenileno-1,2-etinilenos) depositadas en una superficie de plata y cómo experimentan esta reacción de autociclación:
que se induce por el simple calentamiento a más de 90 grados.
Estas son las imágenes que han conseguido obtener del C26H14 antes y después de ciclarse en el isómero grafenoide de la derecha:
No solo se observan los orbitales frontera de los átomos de carbono, sino los enlaces covalentes, que se aprecian claramente como líneas difuminadas que conectan dichos átomos. De este modo, la costumbre de representar los enlaces químicos mediante líneas, que era hasta ahora una convención útil en la docencia de la química, cobra significado y sustenta aquel aforismo genial de Oscar Wilde de que la naturaleza imita al arte.
El experimento en detalle
Los químicos del grupo estaban buscando obtener moléculas del tipo del grafeno (izquierda) con propiedades cuánticas especiales que las hicieran útiles en nanoelectrónica. Lo querían conseguir ciclando fenilenos (anillos bencénicos disustituidos, como el de la derecha) por el procedimiento de depositarlos sobre una superficie metálica caliente (en su caso, plata).
Pero no deseaban deducir espectroscópicamente la geometría y naturaleza del producto o productos obtenidos, sino verlos realmente. Para ello contactaron con los físicos, que disponían de microscopios de fuerzas atómicas sin contacto.
En otro artículo de esta revista hemos explicado cómo funciona un aparato de este tipo, cuyo fundamento es análogo al de la aguja fonocaptora de un tocadiscos. El que han utilizado estos científicos tiene en su punta una molécula de CO cuyos orbitales moleculares interaccionan con los de las moléculas que se quieren “ver”. Como estas interacciones de corto alcance son diferentes en cada punto de la molécula, esta diferencia produce un contraste. La punta interacciona especialmente con los orbitales frontera de la molécula que se sonda. (Se denominan orbitales moleculares frontera al de mayor energía de entre los ocupados y al de menor energía de entre los desocupados; los premios Nobel Kenichi Fukui y Roald Hoffmann demostraron que estos orbitales son los más reactivos químicamente de la molécula).
Un microscopio de este tipo permite obtener imágenes del mundo molecular y atómico con mucha mayor definición que con un microscopio de efecto túnel. Compárense con las anteriores las imágenes de estas moléculas que se pudieron ver con un aparato de este tipo (la A corresponde al fenileno antes de ciclarse; en la B se aprecia que ha reaccionado, pero no su nueva geometría):
En uno y otro caso, el método de trabajo es el siguiente; mantienen la molécula a 4 K poniendo a esa temperatura la superficie soporte de plata, toman la imagen del reactivo, calientan para que se produzca la reacción, vuelven a enfriar a 4 K y toman la imagen del producto.
Referencia
Dimas G. de Oteyza, Patrick Gorman, Yen-Chia Chen, Sebastian Wickenburg, Alexander Riss, Duncan J. Mowbray, Grisha Etkin, Zahra Pedramrazi, Hsin-Zon Tsai, Angel Rubio, Michael F. Crommie, Felix R. Fischer: Direct Imaging of Covalent Bond Structure in Single-Molecule Chemical Reactions, Science DOI: 10.1126/science.1238187
¡Realmente sorprendente! ¡vaya pasada!