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

Los investigadores han verificado experimentalmente una antigua teoría que postula que la densidad de electrones está 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 Palatske Olomouc han logrado una vez más grandes avances en el desentrañamiento de los secretos del mundo de las moléculas y los átomos. Verificaron experimentalmente una teoría de larga data que sugiere que la densidad de electrones no se distribuye uniformemente en las moléculas aromáticas.

Este fenómeno afecta en gran medida las propiedades físicas y químicas de las moléculas y sus interacciones. Esta investigación amplía las posibilidades de diseño de nuevos nanomateriales y es el tema de un artículo recién publicado Comunicaciones de la naturaleza.

El mismo equipo de autores que su estudio pionero anterior publicado en Ciencias Describe la distribución irregular de los electrones en… maíz, el llamado agujero σ. Ahora los investigadores han confirmado la existencia del llamado agujero π. En los hidrocarburos aromáticos encontramos electrones en las nubes por encima y por debajo del nivel de los átomos de carbono. Si reemplazamos los átomos de hidrógeno circundantes con átomos más electronegativos o grupos de átomos que alejan los electrones, las nubes originalmente cargadas negativamente se convierten en agujeros de electrones cargados positivamente.

Profesor Pavel Hobza, Presidente Distinguido y Jefe del Grupo de Reacciones No Covalentes del IOCB Praga. Crédito: Thomas Bellon / IOCB Praga

Los científicos han adoptado el método avanzado de microscopía electrónica de barrido y han ampliado aún más sus capacidades. Este método funciona con resolución subatómica, por lo que puede obtener imágenes no solo de los átomos en las moléculas, sino también de la estructura de la capa electrónica de un átomo. Como señala uno de los coinvestigadores, Bruno de la Torre, del Instituto Checo de Tecnología e Investigación Avanzada (CATRIN) de la Universidad Palatske de Olomouc, el éxito del experimento aquí descrito se debe principalmente a las excelentes instalaciones de su institución de origen. y el excelente Ph.D. del instituto. estudiantes.

“Gracias a nuestra experiencia previa con la tecnología de microscopía de fuerza de sonda Kelvin (KPFM), pudimos mejorar nuestras mediciones y obtener conjuntos de datos muy completos que nos ayudaron a profundizar nuestra comprensión no solo de cómo se distribuye la carga en las moléculas, sino también de qué cosas se puede observar utilizando esta técnica.

Las mediciones experimentales confirmaron las predicciones teóricas de la existencia de un agujero π. De izquierda a derecha: estructura química de la molécula investigada, mapa de potencial electrostático calculado de la molécula, micrografía de fuerza de sonda Kelvin experimental (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, utilizaron en gran medida una 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 Ciencias. Las investigaciones anteriores y actuales han sido aportadas significativamente por uno de los científicos checos más citados en la actualidad, el profesor 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, responsable de ambos fenómenos durante décadas. Muestra que pueden ser 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 teorizó durante décadas antes de que se confirmara experimentalmente su existencia.

Un mejor conocimiento de la distribución de carga de los electrones ayudará a la comunidad científica a comprender muchos procesos químicos y principalmente biológicos. A nivel práctico, esto se traducirá en la capacidad de construir nuevas supermoléculas y posteriormente desarrollar nanomateriales avanzados con propiedades mejoradas.

Referencia: “Visualización de agujeros 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 B . . Jelinek, 16 de agosto de 2023, Comunicaciones de la naturaleza.
doi: 10.1038/s41467-023-40593-3