Un novedoso microscopio permite descubrir el milagro del oxígeno molecular

¿Por qué los colores de una camiseta se desvanecen con el tiempo bajo el sol? ¿Por qué se produce una quemadura solar y por qué las hojas de un árbol se vuelven marrones en otoño? Todas estas preguntas tienen un tema en común: la interacción entre los pigmentos del tinte y el oxígeno del ambiente. Todos los niños aprenden sobre esta reacción química en la escuela, el proceso de oxidación en el aire que respiramos, así que ¿qué podría quedar por investigar?

El oxígeno es una molécula sorprendente por su carácter magnético. En forma líquida, a temperaturas muy bajas, puede ser captado por un imán de forma similar a las limaduras de hierro. Esta propiedad está relacionada con los electrones del oxígeno. Todas las moléculas están formadas por núcleos atómicos y electrones, que a su vez tienden a comportarse como minúsculas agujas de una brújula. Normalmente, estas agujas se disponen en pares que apuntan en direcciones opuestas, de modo que sus fuerzas magnéticas se anulan. Sin embargo, en una molécula de oxígeno formada por dos átomos de oxígeno, las dos agujas de la brújula apuntan en la misma dirección, lo que hace que el oxígeno sea magnético.

Las moléculas de colorante, como las utilizadas para colorear una camiseta, no son magnéticas porque las agujas de la brújula de los electrones apuntan en direcciones opuestas. Cuando la luz incide sobre una molécula de este tipo, se absorbe un determinado color de la luz, lo que da al tinte su aspecto característico. En este proceso de absorción de la luz, la energía de ésta se transfiere a un electrón de la molécula de colorante, rompiendo el emparejamiento original de dos electrones y permitiendo que la aguja de la brújula del electrón excitado cambie espontáneamente su alineación. Cuando se produce este proceso, el electrón ya no puede volver a su estado original. La molécula de colorante se vuelve magnética, entrando en lo que se conoce como estado de triplete.

Un equipo internacional de investigación dirigido por el profesor Jascha Repp ha conseguido ahora revelar cómo se transfiere esta energía del triplete desde una sola molécula de colorante a una sola molécula de oxígeno. Este proceso tiene una importancia fundamental en la vida cotidiana, donde muchas reacciones de oxidación se producen a través del estado de triplete excitado. Mientras la molécula permanezca en este estado, retendrá la energía que le imparte la luz, facilitando así las reacciones químicas. La mayoría de las reacciones químicas, como la combustión, requieren cierta energía inicial, como una chispa, para comenzar.

Una disipación completa de la energía dentro de la molécula de colorante requiere otra inversión de la alineación de la aguja de la brújula electrónica, lo que es un proceso lento e improbable. Otra posibilidad es que la energía luminosa de la molécula de colorante, que corresponde a una energía magnética, se transfiera simplemente a otra molécula magnética, como el oxígeno, un proceso muy parecido al de dar la vuelta a una barra magnética girando otra cercana. Esta transferencia de energía desexcita la molécula de colorante, pero tiende a hacer que la propia molécula de oxígeno sea altamente reactiva, destruyendo finalmente la molécula de colorante. Este efecto es bien conocido por las camisetas blanqueadas o las quemaduras solares, en las que las moléculas de colorante son los pigmentos de la piel.

El equipo ha conseguido ahora seguir esta transferencia de energía entre el tinte y la molécula de oxígeno directamente en el espacio, sin destruir la molécula de tinte. Para ello, se colocaron moléculas individuales en una superficie y se enfriaron a temperaturas muy bajas, cercanas a las del universo. Utilizando un microscopio de fuerza atómica, consistente en una aguja muy fina con un solo átomo en la punta, los investigadores pudieron obtener imágenes de los átomos individuales de la molécula de colorante al escanear la punta a través de ella. Mediante una secuencia inteligente de pulsos eléctricos aplicados a la molécula de colorante, ésta pudo pasar al estado de triplete magnético de forma controlada. La transferencia de energía desde este estado de triplete excitado a las moléculas de oxígeno cercanas se pudo seguir en el tiempo midiendo cambios minúsculos en la fuerza que actúa sobre la punta.

Este novedoso método, publicado en la prestigiosa revista Science, permitió a los investigadores sondear muchas geometrías diferentes de la disposición de la molécula de colorante y el oxígeno. De este modo, se pudo resolver por primera vez la interacción entre las disposiciones moleculares a nivel atómico y la velocidad a la que se produce dicha transferencia de energía. Los científicos pretenden ahora poder formular por fin un marco microscópico subyacente de las reacciones de oxidación fundamentales. Además de la incómoda decoloración de las camisetas, esta interacción entre las excitaciones de los tripletes moleculares tiene una importancia fundamental para toda una serie de desarrollos tecnológicos, como los diodos orgánicos emisores de luz (OLED) y las células solares orgánicas, la conversión fotocatalítica de energía y la fotosíntesis, así como la terapia fotodinámica contra el cáncer.