Científicos de IBM distinguen enlaces moleculares individuales por primera vez

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-   La microscopía de fuerza atómica (AFM) ayuda a los científicos a develar el orden y longitud de los enlaces existentes dentro de las moléculas.
-    Esta técnica puede utilizarse para estudiar los futuros dispositivos fabricados con grafeno.
ZURICH/SANTIAGO DE COMPOSTELA, Suiza/España – 25 de septiembre, 2012 - Científicos de IBM 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”, afirmó 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”.
La investigación contó también con la participación de científicos españoles del Centro de Investigación en Química Biológica y Materiales Moleculares (CIQUS) de la Universidad de Santiago de Compostela.
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 buckyballpor 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.
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 monóxido 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. Esta investigación ha sido financiada dentro del marco de varios proyectos europeos como ARTIST, HERODOT, CEMAS y por el Ministerio de Economía y Competitividad del Gobierno de España y por la Xunta de Galicia.
El artículo científico se titula “Discriminación del orden de enlace mediante Microscopía de Fuerza Atómica” (Bond-Order Discrimination by Atomic Force Microscopy”, realizado por L. Gross, F. Mohn, N. Moll, B. Schuler, A. Criado, E. Guitián, D. Peña, A. Gourdon y G. Meyer, y se publica en la revista Science (14 de septiembre de 2012).
IBM y la nanotecnologíaLa ciencia lleva años esforzándose en “visualizar” y manipular átomos y moléculas con el objetivo de tener un mayor conocimiento y ser capaz de fabricar a escala nanométrica. IBM ha sido pionera en el ámbito de la nanociencia y la nanotecnología con el desarrollo del microscopio de efecto túnel (STM) en 1981 a cargo de Gerd Binnning y Heinrich Rohrer, científicos del laboratorio de Zurich de IBM. Por realizar este invento, que hizo posible la visualización de átomos individuales y más tarde su manipulación, Binning y Rohrer, obtuvieron en 1986 el Premio Nobel de la Física.El AFM, sucesor del microscopio de efecto túnel, fue inventado por Binning en 1986. El STM está reconocido como el instrumento que abrió las puertas al mundo nano. En 2011, IBM inauguró en el campus de su laboratorio de Zurich el Centro de Nanotecnología Binning and Rohrer, que forma parte de una asociación estratégica en materia de nanotecnología con ETH Zurich, una de las mejores universidades técnicas de Europa. Más información sobre los hitos de IBM en nanotecnología durante los últimos 30 años en este enlace.
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