El último avance en química es modificar moléculas átomo a átomo y los responsables son estos investigadores gallegos

El último avance en química es modificar moléculas átomo a átomo y los responsables son estos investigadores gallegos
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Manipular al antojo los átomos que componen las moléculas es algo mucho más fácil de decir que de hacer. Ahora, un equipo internacional en el que han participado investigadores del Centro Singular de Investigación en Química Biolóxica e Materiais Moleculares (CiQUS) de la Universidad de Santiago de Compostela, ha logrado un importante avance en este campo. El equipo de científicos ha explicado los detalles de la investigación en un artículo en la revista Science.

Un Lego molecular. Las moléculas son estructuras microscópicas compuestas por átomos de uno o varios elementos enlazados entre sí. El material compuesto por moléculas no solo depende del tipo de átomos que conforman la molécula, sino también de la estructura que forman estos átomos al unirse entre ellos.

A las moléculas con el mismo tipo y número de átomos pueden presentarse con distintas estructuras, de modo semejante a como podemos crear dos Legos diferentes utilizando las mismas piezas. Así, con cuatro átomos de carbono y diez de hidrógeno podemos crear una molécula de butano u otra de 2-metilpropano. Dos compuestos con distintas características. Ni siquiera dos compuestos idénticos pero de estructuras simétricas pueden tener propiedades muy diversas.

Manipular las piezas. El equipo logró manipular los enlaces entre los átomos de una molécula, uno a uno, para lograr cambiar la estructura de ésta, un hito nunca alcanzado. Hasta ahora, para realizar cambios en las estructuras de las moléculas era necesario introducir nuevos átomos y moléculas en la ecuación para que interactuaran con las moléculas a cambiar.

En una pieza separada en el mismo número de Science, Igor Alabugin y Chaowei Hu recurren también a la metáfora del Lego para describir el proceso actual: “es como poner los bloques de Lego en una lavadora y esperar que trillones de moléculas acaben ensamblándose al final con la forma del producto deseado”.

"Desde el siglo XIX los químicos intentamos cambiar la conectividad entre los átomos en las moléculas para obtener nuevas funcionalidades” explica Diego Peña, investigador del CiQUS y coautor del estudio. “La novedad es que ahora lo podemos hacer de forma extremadamente precisa y sobre moléculas individuales, como si dispusiésemos de pinzas nanométricas del tamaño de las moléculas”.

Los microscopios más potentes. La clave del método desarrollado por este equipo internacional está en los microscopios utilizados. Los microscopio de sonda de barrido (STM, por Scanning tunneling microscope) son unos de los microscopios más potentes jamás desarrollados, capaces de tomar imágenes a escala atómica. En el equipo participó, además del CiQUS, IBM, empresa responsable hace 40 años del desarrollo de esta tecnología.

Se basan en un principio diferente a los microscopios ópticos, en la interacción entre los átomos a observar y la punta del microscopio. Con esta misma punta, el equipo aplicó distintos voltajes eléctricos a los átomos que conformaban la molécula hasta que éstos se desplazaban, alterando a los enlaces químicos entre parejas de átomos y así cambiando la estructura de la molécula observada.

Estos microscopios ya habían sido utilizados para manipular átomos, pero nunca alterando así los enlaces de moléculas orgánicas como esta. Eso sí, el número de experimentos realizados en las cuatro décadas de desarrollo de estos equipos han dado una gran cantidad de resultados curiosos.

Un proceso reversible. El control que otorga esta técnica es tal que los investigadores que les permitió no solo cambiar los enlaces atómicos que daban estructura a la molécula sino revertir estos cambios para que el compuesto orgánico retomara su forma inicial. “Podemos cambiar una y otra vez entre las distintas estructuras de forma repetida” explicaba Leo Gross, de IBM.

Química artesanal. Como señalaban Alabugin y Huen su artículo, este nuevo procedimiento para modificar moléculas es muy distinto al que se emplea ahora. La principal aplicación es la creación de máquinas moleculares, estructuras nanoscópicas (formadas por una sola molécula) capaces de realizar funciones sencillas en respuesta a un estímulo externo. Un ejemplo de esto es el proceso a través del cual nuestro ADN se replica.

Un rompecabezas todavía sin solución. El estudio abre un camino interesante en el (complejísimo) arte de manipular las moléculas. Según explica el equipo, los próximos pasos podrían ir en la dirección de crear máquinas moleculares capaces de desarrollar tareas cada vez más complejas; o también la de utilizar los propios electrones de la molécula para realizar los cambios. Habrá que esperar para conocer cuáles serán las aplicaciones de esta tecnología.

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