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Consejo Superior de Investigaciones Científicas |
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Se publica en Nature el próximo 29 de Mayo Se consigue por primera vez el control de una reacción química en una sola molécula
28 de mayo de 2003. Uno de los objetivos de la química moderna consiste en controlar el curso de una reacción química utilizando medios externos. Es lo que se denomina química selectiva. Tradicionalmente una reacción se induce bombeando energía en forma de calor a un conjunto de moléculas. La energía térmica hace vibrar todos los átomos que forman las moléculas hasta que sólo la reacción más probable será la que tendrá lugar. En química tradicional, pues, acaban teniendo lugar las reacciones más probables: se rompen los enlaces atómicos más débiles y no los más fuertes, y se forman las estructuras moleculares que dicta la naturaleza. En cambio, la química selectiva busca reacciones controladas a voluntad y contrarias a las que dicta a la naturaleza. Por eso, es necesario localizar la energía necesaria para la reacción sólo en una parte específica de una molécula y durante el tiempo suficiente para que pueda inducirse la transformación química deseada. Esto es lo que se ha conseguido por vez primera con una única molécula, en un trabajo internacional del Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB - CSIC), la Université Paul Sabatier (CNRS - Francia) y el Fritz-Haber-Institut de Berlin (Max Planck - Alemania) y el Brookhaven National Laboratory (EE.UU). El trabajo está liderado por los científicos españoles José Ignacio Pascual (ICMAB-CSIC) y Nicolás Lorente (CNRS - Francia). En el experimento se ha conseguido controlar el resultado de una reacción modelo en una sola molécula de amoniaco aplicando impulsos eléctricos con un microscopio de efecto túnel (MET). El MET funciona en circunstancias extremas de presión (ultra-alto vacío) y temperatura (268 ºC bajo cero). Puede resolver la estructura atómica de una superficie limpia y localizar en ella la posición exacta de una sola de las moléculas depositadas. Es más, el MET ofrece la posibilidad de inyectar electrones en una molécula seleccionada, y por tanto de bombear la energía necesaria en ella para inducir una reacción. El experimento se ha realizado sobre una molécula de amoniaco (1 átomo de nitrógeno rodeado por tres átomos de hidrógeno) depositada sobre una superficie de cobre, con la que forma un enlace químico. La reacción sobre la que se ejerce control es la rotura de este enlace. Manipulación de la materia a escala atómica Los investigadores demuestran que ajustando la energía que llevan los electrones que se inyectan en la molécula de amoniaco es posible inducir de forma controlada diferentes tipos de vibraciones de los átomos. Los electrones con más alta energía provocan que los átomos de hidrógeno se acerquen al de nitrógeno, en un movimiento similar al de compresión/estiramiento de un muelle. El resultado de esta vibración molecular es la ruptura del enlace que la mantiene fija en la superficie y, como consecuencia, la molécula se desplaza a una posición cercana en la superficie. Por el contrario, empleando electrones con una energía ligeramente inferior se induce que los átomos de hidrógeno se desplacen alrededor del átomo de nitrógeno, en un movimiento similar al de abrir y cerrar un paraguas (de hecho esta vibración se denomina "umbrella", paraguas en inglés). Al igual que un paraguas en un golpe de viento, explican los científicos, esta vibración provoca que la molécula se invierta y después desaparezca de la superficie. En ambos casos, la reacción consiste en la ruptura de un enlace químico, pero el resultado que se observa, la traslación de la molécula o su desaparición de la superficie, es intrínseco al tipo de movimiento inducido en los átomos de la molécula, haciendo posible el control externo de la reacción. La metodología que presentan los investigadores para controlar la rotura del enlace demuestra por primera vez que se puede realizar selectivamente una reacción química específica en una sola molécula con la aplicación de una interacción eléctrica. Es una metodología novedosa de manipulación de la materia a escala atómica, uno de los objetivos fundamentales de la nanotecnología. Su aplicación a otros sistemas moleculares permitirá investigar mecanismos de inducción y control de reacciones específicas más complejas, determinando en cada caso los productos de forma precisa, así como pasos intermedios que puedan tener lugar. Con las conclusiones que se obtengan a escala nanométrica se podrán diseñar nuevas estrategias macroscópicas de manipulación de las reacciones catalíticas mediante luz y/o electrones, que permitan tanto incrementar la efectividad de las reacciones conocidas como sintetizar nuevos productos químicos a los cuales es imposible llegar mediante las técnicas de química tradicional. La química selectiva sirve de complemento a las técnicas convencionales con láser. Este nuevo método podrá hacerse extensible a procesos más complejos como, por ejemplo, la búsqueda de estrategias de control y mejora de la reactividad en superficies a través del descubrimiento de nuevos caminos de reacción que son inaccesibles por medio del método clásico de la "química térmica". Referencia: "Selectivity in vibrationally mediated single-molecule chemistry", J.I. Pascual, N. Lorente, Z. Song, H. Conrad, and H.-P. Rust. Nature 423, 525 (2003). Más información: José Ignacio Pascual. Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC) Telf. 93 580 18 53 pascual@icmab.es
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