Fotografías de enlaces químicos

Fotografías de enlaces químicos
El enlace químico se puede entender como el resultado de la interacción atractiva entre
dos átomos, con unas características determinadas, generando compuestos con mayor
estabilidad. Es decir, todos los compuestos químicos que nos rodean poseen entre uno y
miles de enlaces químicos, de distinta naturaleza y propiedades, que se han originado
por enlazarse los átomos.
Recientemente, grupos de científicos de la empresa IBM y de la Universidad de
Santiago de Compoestela han podido diferenciar por primera vez los enlaces químicos
existentes en moléculas individuales utilizando una técnica conocida como microscopía
de fuerza atómica (AFM por sus siglas en inglés).
Los resultados de este descubrimiento llevan más lejos las investigaciones sobre la
utilización de las moléculas y átomos a la escala más reducida. Este descubrimiento
podría ser importante para el estudio de los dispositivos fabricados con grafeno.
Actualmente, se está estudiando la aplicación de estos dispositivos en ámbitos como las
comunicaciones inalámbricas de banda ancha o las pantallas electrónicas.
“Hemos encontrado dos mecanismos de contraste diferentes para distinguir los enlaces.
El primero se basa en pequeñas diferencias en la fuerza medida sobre los enlaces.
Esperábamos este tipo de contraste pero ha sido un reto el resolverlo”, ha afirmado el
científico de IBM Leo Gross. “El segundo mecanismo de contraste verdaderamente
llegó por sorpresa: los enlaces aparecieron con diferentes longitudes en las medidas del
AFM. Con la ayuda de cálculos computacionales encontramos que la inclinación de una
molécula de monóxido de carbono en el ápice de la punta de la sonda era la causa del
contraste”.
Como recoge la portada del número del 14 de septiembre de la revista Science, los
científicos de IBM visualizaron el orden y longitud de enlaces individuales entre átomos
de carbono en nanoestructuras de fullerenos C60, también conocidas como buckyball
por su forma de balón de fútbol, y en dos hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAHs
por sus siglas en inglés) planos, que se asemejan a pequeños copos de grafeno. El
Centro de Investigación en Química Biológica y Materiales Moleculares (CIQUS) de la
Universidad de Santiago de Compostela y el Centre National de la Recherche
Scientitique (CNRS) de Toulouse llevaron a cabo la síntesis de los PAHs.
El nuevo método está basado en la microscopía de fuerza atómica y permite observar la
longitud y la fuerza de los enlaces de diferentes moléculas
Los enlaces individuales entre átomos de carbono en estas moléculas difieren sutilmente
en su fuerza y longitud. Todas las propiedades químicas, electrónicas y ópticas de este
tipo de moléculas están relacionadas con las diferencias de los enlaces en los sistemas
poliaromáticos. Ahora, por primera vez, estas diferencias han podido ser observadas en
moléculas y enlaces individuales. Esto puede incrementar el conocimiento al nivel de
moléculas individuales, lo que es importante para las investigaciones sobre nuevos
dispositivos electrónicos, células solares orgánicas y diodos orgánicos emisores de luz
(OLEDs por sus siglas en inglés). En particular, mediante esta técnica podría observarse
la relajación de los enlaces alrededor de los defectos en el grafeno, o los cambios que
experimentan los enlaces en las reacciones químicas y en estados excitados .
Como se explica en su investigación anterior (Science 2009, 325, 1110), los científicos
de IBM utilizaron un microscopio de fuerza atómica (AFM) con una punta de sonda que
termina con una única molécula de mónoxido de carbono (CO). La punta de la sonda
oscila con una pequeña amplitud sobre la muestra, con el objeto de medir las fuerzas
entre la punta y la muestra, que podría ser una molécula, para crear una imagen. La
molécula de CO en la terminación de la punta actúa como una potente lupa para revelar
la estructura atómica de la molécula, incluyendo sus enlaces. Esto ha hecho posible
distinguir enlaces individuales que difieren solamente en 3 picometros (3 x 10 -12
metros), que es aproximadamente la centésima parte del diámetro de un átomo.
En investigaciones anteriores el equipo tuvo éxito logrando imágenes de la estructura
química de moléculas individuales, pero no lograron hasta ahora la imagen de las sutiles
diferencias entre los enlaces. Lograr discriminar el orden de los enlaces está próximo al
límite actual de resolución de la técnica. A menudo otros efectos ocultan el contraste
relativo al orden de los enlaces. Por eso, los científicos tuvieron que seleccionar y
sintetizar moléculas en las que se pudiera eliminar cualquier efecto perturbador.
Para corroborar los resultados experimentales y adquirir una mayor comprensión de la
naturaleza exacta de los mecanismos de contraste, el equipo desarrolló cálculos
mediante la teoría del funcional de la densidad (DFT). De ese modo, calcularon la
inclinación de la molécula de CO en el ápice de la punta de la sonda, lo cual ocurre en el
proceso de visualización de la muestra. Los científicos encontraron cómo esta
inclinación resulta en una amplificación de las imágenes de los enlaces
En las propiedades del grafeno
influyen las del material que esté
en contacto con él
Resultaría insólito que las propiedades del papel con el que envolvemos un objeto cambiasen
dependiendo de las propiedades de dicho objeto. Tenemos por tanto bien asumido que el papel
sigue siendo el mismo sin importar si envolvemos con él algo hecho de un material o un objeto
hecho de otro
Pero sorprendentemente nuevos experimentos muestran que el grafeno, un singular material que
consiste en una sola capa de átomos de carbono colocados en una retícula hexagonal similar a la
de un panal de miel, se comporta bastante diferentemente dependiendo de la naturaleza del material
que él envuelve. Cuando se ponen láminas de grafeno en substratos hecho de materiales diferentes
sus propiedades fundamentales—cómo conduce la electricidad el grafeno y cómo interactúa
químicamente con otros materiales—puede ser drásticamente diferente, dependiendo de la
naturaleza
del
material
subyacente.
El equipo de la investigadora Qing Hua Wang, y el profesor de ingeniería química Michael Strano,
ambos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Cambridge, Estados Unidos, recibió
una sorpresa al descubrir este comportamiento alterado. Los miembros del equipo de investigación
esperaban para se comportara como el grafito, una forma muy conocida de carbono cuya estructura
está formada esencialmente por múltiples capas de grafeno amontonadas una encima de las otras.
Pero su conducta resultó ser bastante diferente.
Representación estructural del grafeno. (Imagen: Berkeley Lab)
Debido a su delgadez extrema, en la práctica el grafeno casi siempre se pone encima de algún otro
material para apoyarlo. Cuando ese material de soporte es dióxido de silicio, un material normal
usado en la electrónica, el grafeno reacciona al ser expuesto a ciertos agentes químicos. En cambio,
eso
no
sucede
cuando
el
grafeno
es
colocado
encima
de
nitruro
de
boro.
En otras palabras, se puede apagar y encender la habilidad del grafeno para formar enlaces
químicos
¿Por
con
ciertas
sustancias,
qué
basado
en
lo
que
está
sucede
debajo.
esto?
Al parecer, como el grafeno es tan delgado, la manera en que reacciona está fuertemente afectada
por los campos eléctricos de los átomos del material que tiene debajo. Esto significa que es posible
crear dispositivos con un substrato de micro-patrones —hechos de algunas regiones de dióxido de
silicio y algunos cubiertas con nitruro de boro—cubierto con una capa de grafeno cuya conducta
química variará entonces según el patrón oculto. Esto podría permitir, por ejemplo, la producción de
micro-arreglos de sensores para detectar el rastro de materiales biológicos o químicos.