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

Los científicos han confirmado una teoría de décadas de antigüedad sobre la distribución no uniforme de la densidad de electrones en las moléculas aromáticas, ampliando las posibilidades para diseñar nuevos nanomateriales. Esta investigación se basa en su trabajo anterior y utiliza microscopía electrónica de barrido avanzada para análisis subatómicos.

Los investigadores han verificado experimentalmente una antigua teoría de que la densidad de electrones se distribuye de manera desigual en las moléculas aromáticas.

Investigadores del IOCB Praga, el Instituto de Física de la Academia Checa de Ciencias y la Universidad Palatski de Olomouc han vuelto a lograr grandes avances en el desvelamiento de los misterios del mundo de las moléculas y los átomos. Verificaron experimentalmente una antigua teoría de 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 en su estudio piloto 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, los electrones se encuentran en nubes por encima y por debajo del plano 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.

Pavel Hobza

Profesor Pavel Hobza, Presidente Distinguido y Jefe del Grupo de Interacciones 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 y, por tanto, puede obtener imágenes no sólo de los átomos en las moléculas, sino también de la estructura de la capa electrónica de un átomo. Como señala uno de los coautores, Bruno de la Torre, del Instituto Checo de Tecnología e Investigación Avanzada (CATRIN) de la Universidad Palatski de Olomouc, el éxito del experimento aquí descrito se debe principalmente a las excelentes instalaciones de su institución de origen. y la excelente participación doctoral 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 lo que se puede observar. utilizando esta técnica.

Las mediciones experimentales confirmaron las predicciones teóricas de la existencia de un agujero π.

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, aprovecharon al máximo la resolución espacial sin precedentes. Hace un tiempo confirmaron la existencia de una distribución irregular de la densidad electrónica alrededor de los átomos de halógeno, los llamados agujeros σ. Este logro fue publicado en 2021 por Ciencias. A las investigaciones anteriores y actuales contribuyó en gran medida 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, ilustra plenamente la calidad de las predicciones teóricas de la química cuántica, que han sido responsables de ambos fenómenos durante décadas. Muestra que pueden 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 los experimentos confirmaran su existencia.

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

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

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