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2022-07-15Logran controlar la transformación de una molécula con pulsos eléctricos

SINC |Investigadores de IBM, la Universidad de Santiago de Compostela y otros centros internacionales consiguen crear y romper enlaces entre los átomos de una molécula a voluntad, mediante pulsos de voltaje aplicados con la punta de un microscopio. El avance, portada de la revista Science, abre el camino al diseño de sofisticadas máquinas moleculares.

Un equipo internacional de científicos, liderados desde IBM Research en Zúrich (Suiza) y el centro CiQUS de la Universidad de Santiago de Compostela (USC), han logrado controlar la formación de enlaces entre los átomos de una molécula mediante pulsos eléctricos, propiciando cambios selectivos en su estructura molecular.

El avance, que aparece en portada de la revista Science, supone un control sin precedentes a escala molecular y abre una nueva vía para el desarrollo de sofisticadas máquinas moleculares con un amplio rango de posibles aplicaciones. 


El estudio es portada de la revista ´Science´


En las moléculas, los átomos están unidos mediante enlaces formando una estructura tridimensional de tamaño nanométrico. Algunas pueden tener un mismo número y tipo de átomos, pero presentar sus enlaces de formas diferentes. Estos compuestos se denominan isómeros estructurales y aportan una variabilidad extraordinaria al mundo molecular.

Ahora, los autores han hallado un método que permite transformar un isómero estructural en otro, reconectando sus enlaces a voluntad en función de un estímulo externo: distintos pulsos de voltaje aplicados con la punta de un microscopio de sonda de barrido (STM). 

En concreto, han actuado sobre una molécula formada por cuatro anillos de carbono depositada sobre una superficie salina, induciendo cambios muy precisos en su estructura asociados a reacciones de oxidación o reducción.

Desde el siglo XIX los químicos intentamos cambiar la conectividad entre los átomos en las moléculas para obtener nuevas funcionalidades, pero la novedad es que ahora lo podemos hacer de forma muy precisa y sobre moléculas individuales, como si dispusiésemos de pinzas nanométricas
Diego Peña (CiQUS-USC)

“Estos procesos redox, a su vez originan la formación de unos u otros enlaces carbono-carbono en la molécula que estudiamos”, explica a SINC el coautor Diego Peña, investigador principal del CiQUS, “pero debo decir que hubo algo de serendipia [casualidad] en el proceso, ya que queríamos provocar un tipo de reagrupamiento molecular y encontramos otros todavía más interesantes, y sobre todo, controlado. Sin duda valdría para otro tipo de reacciones, e incluso para descubrir nuevas transformaciones químicas”.

Además de para aplicar los pulsos de voltaje, con el microscopio STM los investigadores estudian la electrónica de las moléculas, aunque para visualizar sus enlaces (el esqueleto) emplean la microscopía de fuerza atómica (AFM) de alta resolución.


Mediante pulsos de voltaje (coloreado del azul al rojo) de la punta de un microscopio de sonda de barrido se desencadenan selectivamente diferentes transformaciones moleculares. / Florian Albrecht/IBM


“Desde el siglo XIX los químicos intentamos cambiar la conectividad entre los átomos en las moléculas para obtener nuevas funcionalidades”. señala Peña, “pero la novedad es que ahora lo podemos hacer de forma extremadamente precisa y sobre moléculas individuales, como si dispusiésemos de pinzas nanométricas del tamaño de las moléculas”.

“No solo controlamos qué enlaces se forman, además lo hacemos de forma reversible, podemos cambiar una y otra vez entre las distintas estructuras de forma repetida”, destaca Leo Gross, investigador de IBM y coautor del estudio, quien añade: “La formación selectiva y reversible de enlaces puede favorecer la creación de nuevas máquinas moleculares con funciones y tareas más complejas”.

Máquinas moleculares

Las máquinas moleculares son moléculas que pueden llevar a cabo una determinada tarea en respuesta a un estímulo externo. Sin ir más lejos, nuestro propio cuerpo alberga un gran número de máquinas moleculares con funciones tan vitales como la replicación del ADN. No obstante, diseñar máquinas artificiales y sintetizarlas en el laboratorio es una tarea muy compleja, valedora del Premio Nobel de 2016 a Jean Pierre Sauvage, J. Fraser Stoddart y Ben L. Feringa.

La posibilidad de crear y romper enlaces dentro de una molécula individual supone el control deliberado sobre su estructura lo que, a su vez, constituye la base de estas máquinas. “Hasta ahora las máquinas moleculares artificiales se basaban principalmente en inducir cambios en la distribución espacial de los átomos mediante estímulos externos, al añadir el control sobre la conectividad entre los átomos, podemos abordar la fabricación de diseños más complejos” explica Peña.

La formación selectiva y reversible de enlaces puede favorecer la creación de nuevas máquinas moleculares con funciones y tareas más complejas
Leo Gross (IBM Research)

En cualquier caso reconoce que es un poco pronto para las aplicaciones. “Es realmente un trabajo básico, donde demostramos el control sobre moléculas individuales mediante estímulos externos, cómo ensamblar átomos a demanda, algo que hasta ahora no se había conseguido. Aunque si tuviera que elegir una aplicación potencial, diría el desarrollo de máquinas moleculares que catalicen transformaciones químicas, imitando la función de las enzimas en los organismos”.

Nuevos estímulos con luz o electrones

Su equipo trabaja en el marco de un proyecto europeo centrado en la manipulación de moléculas individuales (MolDAM - ERC SyG). Los investigadores prevén seguir avanzando sobre este conocimiento, y entre sus próximos pasos contemplan la posibilidad de que las reacciones sean desencadenadas mediante luz o transfiriendo electrones entre las distintas partes de una misma molécula, en vez de hacerlo mediante la punta de un microscopio STM.

“El objetivo es controlar el mundo molecular con diferentes estímulos, incluso combinarlos en un futuro para conseguir funcionalidades más complejas”, concluye.


Referencia:

Florian Albrecht, Shadi Fatayer, Iago Pozo, Ivano Tavernelli, Jascha Repp, Diego Peña, Leo Gross. “Selectivity in single-molecule reactions by tip-induced redox chemistry”. Science, 2022.

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