Filman por primera vez la creación y ruptura de enlaces químicos en átomos

Por primera vez, se ha capturado en imagen la creación y ruptura de enlaces químicos en átomos, un momento que es aproximadamente medio millón de veces más pequeño que el ancho de un cabello humano.

El logro, publicado en Science Advances, ha correspondido a un equipo de investigación del Reino Unido y Alemania dirigido por la Universidad de Nottingham, que ha difundido las imágenes en un comunicado.

Desde que se propuso que los átomos son los bloques de construcción del mundo, los científicos han estado tratando de entender cómo y por qué se unen entre sí. Ya sea una molécula (que es un grupo de átomos unidos de una manera particular), o un bloque de material o un organismo vivo completo, en última instancia todo está controlado por la forma en que los átomos se unen y la forma en que se rompen los enlaces.

El desafío es que las longitudes de los enlaces químicos son de entre 0,1 y 0,3 nm, aproximadamente medio millón de veces más pequeñas que el ancho de un cabello humano, lo que dificulta la obtención de imágenes directas de la unión entre un par de átomos.

Los métodos de microscopía avanzada, como la microscopía de fuerza atómica (AFM por sus siglas en inglés) o la microscopía de barrido de túnel (STM), pueden resolver posiciones atómicas y medir directamente las longitudes de los enlaces, pero la filmación de enlaces químicos para romper o formar, con continuidad espacio-temporal, en tiempo real, sigue siendo uno de los mayores retos de la ciencia.

Este desafío ha sido cumplido por un equipo de investigación del Reino Unido y Alemania dirigido por el profesor Ute Kaiser, jefe de microscopía electrónica de ciencia de materiales en la Universidad de Ulm, y el profesor Andrei Khlobystov en la Facultad de Química de la Universidad de Nottingham.

Uso pionero de la microscopía electrónica de transmisión

Este grupo de investigadores es conocido por su uso pionero de la microscopía electrónica de transmisión (TEM) para filmar películas de reacciones químicas a nivel de molécula única, y la dinámica de pequeños grupos de átomos de metal en nanocatalizadores utilizan nanotubos de carbono, cilindros huecos atómicamente delgados de carbono con diámetros a escala molecular (1-2 nm) como tubos de ensayo en miniatura para átomos.

"Los nanotubos nos ayudan a atrapar átomos o moléculas, y a colocarlos exactamente donde queramos"

El profesor Andrei Khlobystov, señala que "los nanotubos nos ayudan a atrapar átomos o moléculas, y a colocarlos exactamente donde queramos. En este caso atrapamos un par de átomos de renio (Re) unidos para formar Re2. Porque el renio tiene un alto nivel atómico número es más fácil de ver en TEM que los elementos más ligeros, lo que nos permite identificar cada átomo de metal como un punto oscuro".

"A medida que imaginábamos estas moléculas diatómicas por el estado del arte cromático y la aberración esférica corregida SALVE TEM, observamos la dinámica a escala atómica del Re2 adsorbido en la red grafítica del nanotubo y descubrimos que la longitud del enlace cambia en el Re2 en una serie de pasos discretos", explica la profesora Ute Kaiser.

Doble propósito

El grupo tiene un amplio historial de uso del haz de electrones como una herramienta para un doble propósito: conseguir imágenes precisas de posiciones atómicas y la activación de reacciones químicas debido a la energía transferida de los electrones rápidos del haz de electrones a los átomos.

El truco "dos en uno" con TEM permitió a estos investigadores grabar películas de moléculas que reaccionaron en el pasado, y ahora pudieron filmar dos átomos unidos en Re2 caminando a lo largo del nanotubo en un video continuo.

El doctor Kecheng Cao, asistente de Investigación en la Universidad de Ulm que descubrió este fenómeno y realizó los experimentos de imágenes, admite que "fue sorprendentemente claro cómo se mueven los dos átomos en pares, lo que indica claramente un enlace entre ellos. Es importante destacar que a medida que Re2 baja el nanotubo, la longitud del enlace cambia".

"Fue sorprendentemente claro cómo se mueven los dos átomos en pares"

Después de un período de tiempo, los átomos de Re2 exhibieron vibraciones distorsionando sus formas circulares en elipses y estirando el enlace. Cuando la longitud del enlace alcanzó un valor superior a la suma de los radios atómicos, el enlace se rompió y cesó la vibración, lo que indica que los átomos se independizaron entre sí. Un poco más tarde, los átomos se unieron nuevamente, formando una molécula Re2.

El doctor Stephen Skowron, asistente de Investigación Postdoctoral en la Universidad de Nottingham que realizó los cálculos para la unión de Re2, apunta que "los enlaces entre átomos de metal son muy importantes en química, particularmente para comprender las propiedades magnéticas, electrónicas o catalíticas de los materiales".

"Lo que lo hace desafiante es que los metales de transición, como Re, pueden formar enlaces de diferente orden, desde enlaces simples hasta enlaces quíntuples -prosigue-. En este experimento TEM observamos que los dos átomos de renio están unidos principalmente a través de un enlace cuádruple, proporcionando nuevas ideas fundamentales en la química del metal de transición".

Por su parte, Andrei Khlobystov, destaca: "Hasta donde sabemos, esta es la primera vez que la evolución, ruptura y formación de enlaces se grabó en una película a escala atómica".

Una herramienta analítica

La microscopía electrónica ya se está convirtiendo en una herramienta analítica para determinar estructuras de moléculas, particularmente con el avance del TEM criogénico reconocido con el Premio Nobel de Química 2017.

"Ahora estamos empujando las fronteras de las imágenes de moléculas más allá del simple análisis estructural, y hacia la comprensión de la dinámica de las moléculas individuales en tiempo real", señala el doctor.

El equipo cree que un día en el futuro la microscopía electrónica puede convertirse en un método general para estudiar reacciones químicas, similar a los métodos espectroscópicos ampliamente utilizados en los laboratorios de química.