Química en movimiento

Investigadores producen los primeros videos de síntesis química a resolución atómica

26.08.2019

(c) 2019 Nakamura et al.

Por primera vez, los investigadores han logrado ver detalles previamente inaccesibles de ciertos procesos químicos. Han demostrado que hay etapas discretas significativas en estos procesos que se basan en nuestro conocimiento de la síntesis química. Estos detalles podrían ayudar en el desarrollo de métodos para sintetizar productos químicos con mayor control y precisión que nunca antes. Métodos como estos podrían ser útiles en la ciencia de los materiales y en el desarrollo de medicamentos.

"Desde 2007, los físicos han sido capaces de realizar un sueño de más de 200 años de antigüedad: la capacidad de ver un átomo individual", dijo el profesor del proyecto Eiichi Nakamura. "Pero no terminó ahí. Nuestro grupo de investigación ha ido más allá de este sueño para crear videos de moléculas y ver las reacciones químicas con un detalle sin precedentes".

Nakamura comparte con los científicos de todo el mundo una ambición audaz de desarrollar materiales nuevos y útiles para el mundo. Para ello, su equipo del Departamento de Química de la Universidad de Tokio desea dominar el control de varios procesos químicos responsables de la síntesis de materiales. Sin embargo, la síntesis química es algo complicado de estudiar.

"Los métodos analíticos convencionales, como la espectroscopia y la cristalografía, nos proporcionan información útil sobre los resultados de los procesos, pero sólo dan pistas sobre lo que ocurre durante ellos", explicó Koji Harano, profesor asociado del proyecto en el grupo Nakamura. "Por ejemplo, nos interesan los cristales de estructuras orgánicas metálicas (MOF). La mayoría de los estudios observan el crecimiento de estos, pero pasan por alto la etapa temprana de nucleación, ya que es difícil de observar".

Las etapas transitorias de las reacciones químicas complejas son difíciles de estudiar ya que hay múltiples procesos intermedios que ocurren entre el inicio y el final de la mayoría de las reacciones. En principio, se podían ver las etapas individuales, pero en realidad era imposible aislar los productos en cada etapa y ver cómo cambiaban con el tiempo. Nakamura, Harano y su equipo pasaron más de 10 años en este problema y han desarrollado un método llamado microscopía electrónica molecular.

"Era un problema de dos partes", continuó Harano. "A gran escala, hubo un desafío de ingeniería para combinar un microscopio electrónico de alta resolución único con un sensor de imagen rápido y sensible para imágenes de video continuas; mientras que a pequeña escala, tuvimos que idear una forma de capturar las moléculas de interés y mantenerlas en su lugar para que la cámara pudiera captar la acción".

Para aislar y asegurar moléculas particulares, el equipo utilizó un nanotubo de carbono especialmente modificado. Esto engancharía una molécula que pasa y la mantendría en su lugar, pero crucialmente, no interferiría con las reacciones de esa molécula. De esta manera, cada etapa de la reacción tendría lugar en la punta del nanotubo, que a su vez se mantenía en su lugar en el punto focal del microscopio electrónico. Los datos resultantes se pueden convertir en vídeos en tiempo real de las reacciones.

"Lo que nos sorprendió mucho al principio fue que nuestro plan realmente funcionó. Fue un reto complejo, pero visualizamos por primera vez estos videos moleculares en 2013", dijo Harano. "Desde entonces hasta ahora, hemos trabajado para convertir el concepto en una herramienta útil. Nuestro primer éxito ha sido visualizar y describir una molécula en forma de cubo, que es una forma intermedia crucial que ocurre durante la síntesis de MOF. Tardamos un año en convencer a nuestros críticos de que lo que encontramos es real".

Este es sólo el primer paso hacia la capacidad de obtener control sobre la síntesis química de una manera precisa y controlada - un término que los investigadores llaman "síntesis racional". Es importante observar los detalles de las reacciones a medida que progresan, de modo que se pueda aplicar la ingeniería inversa de manera efectiva. El sueño de hace 200 años era ver un átomo, el sueño ahora es controlarlos para crear cosas como minerales sintéticos para la construcción o incluso nuevas drogas para ayudar a salvar vidas.

Publicación original:

Junfei Xing, Luca Schweighauser, Satoshi Okada, Koji Harano, Eiichi Nakamura; "Atomistic structures and dynamics of prenucleation clusters in MOF-2 and MOF-5 syntheses"; Nature Communications; 2019

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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