30.11.2021 - Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Químicos diseñan un "mar molecular de banderas"

Las nanoestructuras se autoensamblan y cubren superficies específicas: "Esto puede permitir la realización de nuevos catalizadores"

Investigadores de la Universidad de Bonn han desarrollado una estructura molecular capaz de cubrir las superficies de grafito con un mar de diminutas "astas de bandera". Las propiedades de este recubrimiento son muy variables. Puede servir de base para el desarrollo de nuevos catalizadores. Los compuestos también podrían ser adecuados para medir las propiedades nanomecánicas de las proteínas.

El bloque básico de construcción del recubrimiento superficial es un gran anillo molecular. Está estabilizado en su interior por radios y, por tanto, tiene cierto parecido con una estrella de Mercedes. Además, el anillo tiene tres pequeños brazos que apuntan hacia fuera. Cada uno de ellos puede agarrar el brazo de otro anillo. Esto permite que las moléculas se unan para formar un enorme tejido en forma de lámina sin ninguna intervención exterior. Para ello, basta con sumergir un trozo de grafito (que es el material del que están hechas las minas de los lápices, por ejemplo) en una solución de estos anillos. Como por arte de magia, éstos cubren la superficie de grafito con una estructura en forma de red en poco tiempo.

El tamaño de la red puede ajustarse con precisión cambiando la longitud de los brazos. Sin embargo, lo más destacado del recubrimiento es otra opción de modificación: "Podemos acoplar polos diminutos de diferentes longitudes al centro de los anillos", explica el Prof. Dr. Sigurd Höger, del Instituto Kekulé de Química Orgánica y Bioquímica de la Universidad de Bonn. Dirigió el estudio junto con el Dr. Stefan-Sven Jester (también del Instituto Kekulé) y el Prof. Dr. Stefan Grimme del Centro Mulliken de Química Teórica. "Podemos entonces, a su vez, unir otras moléculas a ellas, como las banderas a un asta".

Un mar de banderas en miniatura

Las distancias entre los postes son tan grandes que incluso moléculas muy voluminosas pueden unirse a sus puntas sin estorbar a las demás. Así, por un lado se mantienen en su sitio gracias a los postes, pero al mismo tiempo son libres de moverse como una bandera al viento. Además, son fácilmente accesibles a las sustancias de la solución y pueden reaccionar con ellas. "Esto puede permitir la realización de nuevos catalizadores", especula Höger. "Potencialmente, esto permitirá reacciones químicas que antes eran inviables o sólo eran posibles con gran esfuerzo".

En principio, cualquier molécula puede fijarse a las puntas de las astas. En el futuro, esto debería permitir, por ejemplo, medir las propiedades nanomecánicas de las proteínas. Para ello, la molécula de proteína se sujetaría por el asta y luego se separaría con una especie de "brazo de agarre". "Las proteínas están formadas por largos filamentos, pero la mayoría de ellos están plegados en forma de esfera compacta, lo que les da su forma característica", explica Höger. "Las fuerzas que actúan en la formación de éstas podrían determinarse con mayor precisión mediante este tipo de experimentos".

En el laboratorio del Dr. Jester, las moléculas producidas por Höger y sus colaboradores se depositaron sobre grafito y se examinaron con un microscopio de efecto túnel. Además, también se simularon en el ordenador los patrones de superficie de las moléculas bandera. "Esto nos permitió demostrar que las moléculas se organizan realmente y se comportan exactamente como predicen nuestros conceptos y la teoría", explica Jester, que, al igual que Höger y Grimme, es miembro del Área de Investigación Transdisciplinaria "Bloques de Construcción de la Materia e Interacciones Fundamentales" (TRA Matter) de la Universidad de Bonn.

La simulación de la dinámica de moléculas tan grandes y complejas requiere enormes recursos computacionales. En los últimos años, el grupo de investigación del profesor Grimme ha desarrollado sofisticados métodos que, sin embargo, lo hacen posible. "Podemos utilizar estos métodos, por ejemplo, para distinguir entre moléculas flexibles y rígidas en la simulación y predecir su comportamiento", explica Grimme.

Entre otras moléculas, el equipo de Bonn fijó una estructura similar a un balón de fútbol a las astas de la bandera, el llamado fullereno. Allí pudo colgar libremente alrededor de la parte superior de cada mástil sujetada por una especie de nanocuerda. "Podemos ver este movimiento de los fullerenos, predicho por las simulaciones informáticas, en las imágenes de nuestro microscopio de efecto túnel", dice Jester. Esto se debe a que las imágenes de los balones moleculares no son nítidas, sino borrosas: Es como fotografiar una pelota real en una cuerda que se mueve de un lado a otro en el viento con poca luz. En cambio, las moléculas de referencia rígidamente unidas son claramente visibles en las imágenes del microscopio de efecto túnel.

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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