Revelando el misterioso mundo de las moléculas: los científicos confirman una teoría de décadas de antigüedad

Los investigadores probaron experimentalmente una antigua teoría de que la densidad de electrones estaba distribuida de manera desigual en las moléculas aromáticas.

Investigadores del IOCB de Praga, del Instituto de Física de la Academia Checa de Ciencias y de la Universidad Palacký de Olomouc han vuelto a lograr avances significativos en el descubrimiento de los misterios del mundo de las moléculas y los átomos. Probaron experimentalmente una teoría de larga data que sugería que la densidad de electrones no se distribuye uniformemente en las moléculas aromáticas.

Este fenómeno afecta significativamente las propiedades fisicoquímicas de las moléculas y sus interacciones. Esta investigación amplía las posibilidades de diseño de nuevos nanomateriales y es el tema de un artículo que se acaba de publicar en Comunicaciones de la naturaleza.

El mismo equipo de autores de su innovador estudio anterior publicado en Ciencia describió la distribución desigual de los electrones en un átomo, el llamado agujero σ. Ahora los investigadores han confirmado la existencia del llamado agujero π. En los hidrocarburos aromáticos encontramos electrones en nubes por encima y por debajo del plano de los átomos de carbono. Si reemplazamos los hidrógenos periféricos con átomos más electronegativos o grupos de átomos que desplazan electrones, las nubes originalmente cargadas negativamente se transforman en agujeros de electrones cargados positivamente.

Prof. Pavel Hobza, Presidente Distinguido y Jefe del Grupo de Interacciones No Covalentes del IOCB Praga. Créditos: Tomáš Belloň / IOCB Praga

Los científicos han adoptado el método avanzado de microscopía electrónica de barrido y han ampliado sus capacidades. El método funciona con resolución subatómica y, por tanto, puede visualizar no sólo los átomos de las moléculas sino también la estructura de la capa electrónica de un átomo. Como señala uno de los investigadores, Bruno de la Torre, del Instituto Checo de Investigación y Tecnología Avanzada (CATRIN) de la Universidad Palacký de Olomouc, el éxito del experimento aquí descrito se debe principalmente a las excelentes instalaciones de su instituto y la participación de excelentes estudiantes de doctorado. estudiantes.

“Gracias a nuestra experiencia previa con la técnica de microscopía de fuerza de sonda Kelvin (KPFM), hemos podido refinar nuestras mediciones y adquirir conjuntos de datos muy completos que nos han ayudado a profundizar nuestra comprensión no solo de cómo se distribuye la carga en las moléculas sino también de qué Lo observable se obtiene con la técnica”, afirma Bruno de la Torre.

Las mediciones experimentales confirmaron las predicciones teóricas de la existencia del agujero π. De izquierda a derecha: estructura química de la molécula estudiada, mapa de potencial electrostático calculado de la molécula, imagen experimental del microscopio de fuerza con sonda Kelvin (KPFM) e imagen de KPFM simulada. Crédito: IOCB Praga

La microscopía de fuerza moderna ha sido durante mucho tiempo dominio de los investigadores del Instituto de Física. No sólo en el caso de las estructuras moleculares se ha aprovechado al máximo la resolución espacial sin precedentes. Hace algún tiempo confirmaron la existencia de una distribución no uniforme de la densidad electrónica alrededor de los átomos de halógeno, los llamados agujeros σ. Este logro fue publicado en 2021 por Ciencia. Uno de los científicos checos más citados de la actualidad, el prof. Pavel Hobza del Instituto de Química Orgánica y Bioquímica de la Academia Checa de Ciencias (IOCB Praga).

“La confirmación de la existencia del agujero π, así como del agujero σ que lo precede, demuestra plenamente la calidad de las predicciones teóricas de la química cuántica, que han explicado ambos fenómenos durante décadas. Esto demuestra que se puede confiar en él incluso en ausencia de experimentos disponibles”, afirma Pavel Hobza.

Los resultados de las investigaciones de los científicos checos a nivel subatómico y submolecular se pueden comparar con el descubrimiento de los agujeros negros cósmicos. También se habían teorizado durante décadas antes de que los experimentos confirmaran su existencia.

Una mejor comprensión de la distribución de carga de los electrones ayudará, en primer lugar, a la comunidad científica a comprender muchos procesos químicos y biológicos. A nivel práctico, esto se traducirá en la capacidad de construir nuevas supramoléculas y, posteriormente, en el desarrollo de nanomateriales avanzados con propiedades mejoradas.

Referencias: “Visualización del agujero π en moléculas mediante microscopía de fuerza con sonda Kelvin” por B. Mallada, M. Ondráček, M. Lamanec, A. Gallardo, A. Jiménez-Martín, B. de la Torre, P. Hobza y P Jelínek, 16 de agosto de 2023. Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41467-023-40593-3