Trucos para controlar las reacciones en una sola molécula
Los pulsos de una punta afilada para átomos permiten a los investigadores romper y formar enlaces químicos a voluntad
Las reacciones químicas suelen producir mezclas desordenadas de diferentes productos. Por ello, los químicos dedican mucho tiempo a conseguir que sus reacciones sean más selectivas para producir determinadas moléculas. Ahora, un equipo internacional de investigadores ha logrado ese tipo de selectividad mediante la entrega de pulsos de voltaje a una sola molécula a través de una punta increíblemente afilada.
Un equipo internacional de científicos ha desarrollado un método para romper y formar enlaces moleculares aplicando voltaje a una molécula mediante una punta afilada de sólo unos átomos de ancho.
© 2022 KAUST; Anastasia Serin
"Controlar la vía de una reacción química en función de los pulsos de voltaje utilizados es algo sin precedentes y muy atractivo para los químicos", afirma Shadi Fatayer, de la KAUST.
El equipo utilizó un instrumento que combina la microscopía de barrido en túnel (STM) y la microscopía de fuerza atómica (AFM). Ambas técnicas pueden trazar la posición de los átomos dentro de las moléculas individuales utilizando una punta que puede tener sólo unos pocos átomos de ancho. Pero el voltaje también puede utilizarse para romper los enlaces dentro de una molécula, permitiendo potencialmente la formación de nuevos enlaces.
"Ya se habían realizado reacciones controladas por la punta, pero no había control sobre el producto final", afirma Fatayer. "La selectividad es el elemento clave aquí: dependiendo de la polaridad y el valor de los pulsos de voltaje, podemos formar y romper diferentes enlaces internos a voluntad".
Los investigadores utilizaron este enfoque para estudiar el tetraclorotetraceno, una molécula que contiene cuatro átomos de cloro unidos a una fila de cuatro anillos hexagonales de átomos de carbono. La aplicación de un voltaje de unos 3,5 V eliminó dos átomos de cloro y provocó la reorganización de la molécula. Al aumentar el voltaje se eliminaron los átomos de cloro restantes, lo que desencadenó nuevos reordenamientos que formaron tres productos diferentes.
El primer producto tiene cuatro anillos hexagonales dispuestos en zig-zag; el segundo tiene un anillo de 10 miembros flanqueado por dos anillos de seis miembros; y el tercero contiene un anillo de cuatro miembros, un anillo de ocho miembros y dos anillos de seis miembros.
Se podrían utilizar pequeños impulsos de voltaje para interconvertir estos productos. Ajustando el voltaje, los investigadores pudieron controlar qué enlaces se rompían y qué producto de reordenación se formaba.
Combinando sus resultados con cálculos teóricos, los investigadores demostraron que la selectividad del método depende del paisaje de estados energéticos que adoptan las moléculas cuando llevan diferentes cargas eléctricas, lo que se conoce como su estado de oxidación. Como el estado de oxidación inicial de una molécula puede controlarse mediante un campo eléctrico, este método podría ayudar a los químicos a diseñar nuevas reacciones químicas y productos, afirma Fatayer.
Su grupo está desarrollando ahora formas de añadir o eliminar electrones individuales a moléculas concretas y de aplicar pulsos de voltaje a partes específicas de una molécula para controlar qué reacción química se produce.
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