Primeras imágenes de moléculas químicas antes y después de una reacción química

Un equipo de investigadores de diferentes universidades del mundo dirigidos por Félix R. Fischer y Michael R. Crommie ha logrado obtener imágenes de compuestos químicos a nivel atómico antes y después de una reacción química. Las imágenes son realmente espectaculares, ya que es posible ver los enlaces entre átomos y las estructuras que se observan en la práctica son idénticas a las que podemos ver dibujadas en cualquier libro de texto de química. El estudio se ha hecho público hace unos días en Nature.

En el campo de la química, si quieres saber que sustancia tienes en una botella necesitas realizar diferentes pruebas que te dan información indirecta, como puede ser la resonancia magnética nuclear o los espectros de infrarrojos y de rayos X. Identificamos el compuesto químico por cómo reacciona en todas estas pruebas, pero esta técnica permite literalmente ver el compuesto químico, pudiendo identificarlo rápidamente y sin ninguna duda. Es como tomar una foto de la misma.

Para tomar estas imágenes, el equipo usó un microscopio de fuerzas atómicas, el cual ya ha sido usado para otras tareas de las que hablamos previamente en Medciencia, por ejemplo realizar el seguimiento en tiempo real del ensamblaje de un virus.

Este microscopio funciona gracias a una punta tan afilada que en su extremo sólo tiene un grosor de un átomo. Los compuestos químicos se depositan encima de una superficie y la punta se sitúa encima de ésta. Al ser tan afilada puede distinguir con gran detalle los elementos que están sobre la superficie, ya que se mueve por encima de la molécula química al contactar con ella. Sobre la punta se sitúa un láser, que permite detectar los pequeños movimientos de la punta y deducir así la forma de la superficie. La comparación más adecuada son los dedos de una persona ciega al leer braille: acaricia los pequeños puntos y reconoce su localización. Con este microscopio sucede lo mismo pero a una escala atómica.

Para aumentar la resolución se ha mejorado el microscopio ya que la punta nunca entra en contacto con la muestra, sino que está conectada a un sensor de fuerzas electromagnéticas, de manera que cuando se acerque a un átomo automáticamente se eleve sin necesidad de hacer presión en la molécula. Por ese motivo, la punta no solamente detecta átomos, sino también electrones (que son mucho más pequeños que el núcleo de un átomo pero con una fuerza electronegativa mucho mayor), pudiendo también detectar los enlaces químicos covalentes, que realmente son electrones compartidos entre átomos.

Para observar la reacción química, el equipo de Fischer y Crommie depositó sobre una superficie de plata un solo tipo de molécula orgánica, la oligo-enediyne, formada por tres anillos de benceno. Se escogió esta molécula entre las diferentes posibles por varios motivos: el primero es que es una molécula plana, así no habría problemas de resolución tridimensionales, y el otro es que produce una reacción química sencilla, pudiendo transformarse en dos posibles compuestos diferentes entre sí cuando es expuesta a una temperatura superior a 90ºC. Con esta técnica se puede comprobar en cuál de las dos posibles moléculas se ha transformado el reactivo.

Primero se detectan las moléculas de oligo-enediyne en la superficie de plata y se apunta su localización. Posteriormente se realiza la reacción química exponiendo la superficie a temperaturas superiores a 90ºC, e inmediatamente después se comprueban las localizaciones anteriores para ver en cuál de los dos posibles resultados se ha transformado la molécula inicial. El resultado es el obtenido en la imagen.

Esta técnica permitirá a los químicos estudiar las reacciones químicas en detalle, pudiendo saber exactamente qué productos se obtienen, y consiguiendo diseñar reacciones químicas más precisas para poder obtener compuestos puros sin compuestos químicos secundarios que puedan ser perjudiciales, como puede ser para el caso de un medicamento.

Como curiosidad adicional, entre los laboratorios que han participado en el proyecto se encuentra el Centro de física de materiales de San Sebastián, en España. Siempre es bueno ver como la investigación española hace lo posible para entrar en la investigación más puntera, a pesar de la falta de medios.

Fuentes e Imágenes | Wired, Science Daily