04.09.2020 - Universität Regensburg

Mano atómica rápida como un rayo

No sólo observar las moléculas individuales, sino incluso controlarlas

Los científicos de Ratisbona y Zúrich han encontrado una forma fascinante de empujar un átomo con fuerzas controladas tan rápidamente que pueden coreografiar el movimiento de una sola molécula en menos de una trillonésima de segundo. La aguja extremadamente afilada de su exclusivo microscopio ultrarrápido sirve como base técnica: Escanea cuidadosamente las moléculas, de forma similar a un tocadiscos. Físicos de la Universidad de Ratisbona demostraron que los pulsos de luz brillante sobre esta aguja pueden transformarla en una "mano atómica" ultrarrápida. Esto permite que las moléculas sean dirigidas - y las nuevas tecnologías pueden ser inspiradas.

Los átomos y las moléculas son los constituyentes de prácticamente toda la materia que nos rodea. Interactuando entre sí según las reglas de la mecánica cuántica, forman sistemas complejos con una variedad infinita de funciones. Para examinar las reacciones químicas, los procesos biológicos en una célula o las nuevas formas de captación de energía solar, a los científicos les encantaría no sólo observar las moléculas individuales, sino incluso controlarlas.

De manera más intuitiva, la gente aprende por medio de la exploración háptica, como empujar, tirar o golpear. Naturalmente, estamos acostumbrados a objetos macroscópicos que podemos tocar directamente, apretar o empujar ejerciendo fuerzas. De manera similar, los átomos y las moléculas interactúan a través de fuerzas, pero estas fuerzas son extremas en múltiples aspectos. En primer lugar, las fuerzas que actúan entre los átomos y las moléculas se producen en longitudes extremadamente pequeñas. De hecho, estos objetos son tan pequeños que se ha introducido una escala de longitud especial para medirlos: 1 Ångström (1Å = 0.000 000 000 1 m). En segundo lugar, al mismo tiempo, los átomos y las moléculas se mueven y se mueven extremadamente rápido. De hecho, su movimiento tiene lugar más rápido que los picosegundos (1 ps = 0.000 000 000 001 s). Por lo tanto, para dirigir directamente una molécula durante su movimiento, se requiere una herramienta para generar fuerzas ultrarrápidas a escala atómica.

Hace más de 30 años Eigler y Schweizer demostraron que con un microscopio de túnel de barrido es posible ejercer fuerzas estáticas en átomos individuales. En tal microscopio, se utiliza una aguja extremadamente afilada para detectar átomos y moléculas mediante el escaneo a través de ellos, similar a un reproductor de discos. Un equipo de científicos de Ratisbona y Zúrich ha abordado ahora el reto de hacer que esas fuerzas sean lo suficientemente rápidas como para dirigir directamente una molécula durante su movimiento y manipular así las reacciones y transiciones. El equipo de Rupert Huber y Jascha Repp de Ratisbona construyó un microscopio ultrarrápido único en el mundo que combina pulsos de láser de femtosegundos, que dan acceso a escalas de tiempo ultrarrápidas, con la microscopía de túnel de barrido, que es capaz de obtener imágenes de moléculas individuales.

El equipo demostró que, dado que la luz es una onda electromagnética, su onda portadora oscilante podría actuar como una fuerza ultrarrápida, más rápida incluso que un ciclo oscilatorio del campo de luz. Cuando aplicaron ondas de luz ultrarrápidas a la aguja atómica del microscopio, pudieron efectivamente ejercer una fuerza ultrarrápida localmente, en regiones individuales de la molécula. "De esta manera, podemos utilizar la aguja expuesta a la luz como una 'mano' ultrarrápida a escala de átomo para empujar átomos individuales de la molécula", explica Dominik Peller, el autor principal del nuevo estudio.

El equipo observó que las fuerzas atómicas ultrarrápidas eran lo suficientemente fuertes como para desencadenar una vibración de la molécula. Este movimiento era tan vigoroso que alteraba la probabilidad de conmutación de la molécula hasta en un 39%. Dominik Peller declaró, genuinamente impresionado: "Podríamos controlar la amplitud y la dirección de la vibración a voluntad, y así modular la probabilidad de reacción de la molécula en la escala de femtosegundos".

Además, resultó que sólo cuando la "mano atómica" aplica fuerzas ultrarrápidas a regiones muy específicas de la molécula, induce el movimiento vibratorio. Como el equipo aprendió de una comparación con un cálculo de mecánica cuántica realizado por Nikolaj Moll en Zurich, esto se debe a que la molécula se engancha en la superficie a través de átomos clave. Sólo al aplicar fuerzas ultrarrápidas a estos átomos en particular, los científicos pudieron dirigir selectivamente la vibración de la molécula.

Este desarrollo proporciona finalmente el control sobre las reacciones moleculares de la manera más directa. Se espera que las fuerzas atómicas ultrarrápidas ayuden a comprender y manipular los procesos clave de la química y la biología para inspirar futuras tecnologías basadas en dispositivos de una sola molécula. De esta manera, el omnipresente movimiento ultrarrápido del constituyente elemental de la materia no sólo puede observarse, sino que se controla y aprovecha con una precisión sin precedentes.

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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