Para el físico Percy Zahl, optimizar y preparar un microscopio de fuerza atómica sin contacto (nc-AFM) para visualizar directamente la estructura química de una sola molécula es un poco como jugar a un videojuego de realidad virtual. El proceso requiere navegar y manipular la punta del instrumento sobre el mundo de átomos y moléculas, eventualmente recogiendo algunos en el lugar correcto y de la manera correcta. Si estos desafíos se completan con éxito, avanzas al más alto nivel, obteniendo imágenes que muestren con precisión dónde se encuentran los átomos individuales y cómo se unen químicamente a otros átomos. Pero haz un movimiento en falso y se acabó el juego. Es hora de empezar de nuevo.

"El nc-AFM tiene una punta de una sola molécula muy sensible que escanea sobre una superficie monocristalina limpia cuidadosamente preparada a una altura constante y" siente "las fuerzas entre la molécula de la punta y los átomos individuales y los enlaces de las moléculas colocadas en esta superficie limpia. , "explicó Zahl, que forma parte del Grupo de Catálisis y Ciencia de Interfaces en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. "Puede llevar una hora o días hacer que este sensor funcione correctamente. No se puede simplemente presionar un botón; se requiere un ajuste fino. Pero todo este esfuerzo definitivamente vale la pena una vez que vea las imágenes que aparecen como moléculas en un libro de texto de química. "

Historia de la determinación de la estructura química

Desde el inicio del campo de la química, los científicos han podido determinar la composición elemental de moléculas. Lo que ha sido más difícil es descubrir sus estructuras químicas, o la disposición particular de los átomos en el espacio. Conocer la estructura química es importante porque afecta las reactividades de la molécula y otras propiedades.

Por ejemplo, Michael Faraday aisló benceno en 1825 de un residuo de gas de petróleo. Pronto se determinó que el benceno se compone de seis átomos de hidrógeno y seis de carbono, pero su estructura química siguió siendo controvertida hasta 1865, cuando Friedrich August Kekulé propuso una estructura cíclica. Sin embargo, su propuesta no se basó en una observación directa sino en una deducción lógica del número de isómeros (compuestos con la misma fórmula química pero con diferentes estructuras químicas) del benceno. La estructura hexagonal simétrica correcta del benceno se reveló finalmente a través de su patrón de difracción obtenido por Kathleen Lonsdale mediante cristalografía de rayos X en 1929. En 1931, Erich Huckel utilizó la teoría cuántica para explicar el origen de la "aromaticidad" en el benceno. La aromaticidad es una propiedad de las moléculas planas en forma de anillo en las que los electrones se comparten entre los átomos. Debido a esta disposición única de electrones, Los compuestos aromáticos tienen una estabilidad especial (baja reactividad).

Hoy dia, La cristalografía de rayos X sigue siendo una técnica habitual para determinar las estructuras químicas, junto con la espectroscopia de resonancia magnética nuclear. Sin embargo, Ambas técnicas requieren cristales o muestras relativamente puras, y los modelos de estructura química deben deducirse analizando los patrones o espectros de difracción resultantes.

La primera imagen real de una estructura química se obtuvo hace solo una década. En 2009, Los científicos de IBM Research – Zurich Lab en Suiza utilizaron nc-AFM para resolver la columna vertebral atómica de una molécula individual de pentaceno, viendo sus cinco anillos de benceno fusionados e incluso los enlaces carbono-hidrógeno. Este avance fue posible mediante la selección de una molécula apropiada para el extremo de la punta, una que pudiera acercarse mucho a la superficie del pentaceno sin reaccionar o unirse a él. También requería una electrónica de lectura de sensor optimizada a temperaturas criogénicas para medir pequeños cambios de frecuencia en la oscilación de la sonda (que se relaciona con la fuerza) mientras se mantiene la estabilidad mecánica y térmica a través de configuraciones de amortiguación de vibraciones. cámaras de ultra alto vacío, y sistemas de enfriamiento de baja temperatura.

"El nc-AFM de baja temperatura es el único método que puede obtener imágenes directas de la estructura química de una sola molécula, ", dijo Zahl." Con nc-AFM, puede visualizar las posiciones de los átomos individuales y la disposición de los enlaces químicos, que afectan la reactividad de la molécula ".

Sin embargo, actualmente todavía existen algunos requisitos para que las moléculas sean adecuadas para la obtención de imágenes nc-AFM. Las moléculas deben ser principalmente planas (planas), ya que el escaneo se produce en la superficie y, por lo tanto, no es adecuado para grandes estructuras tridimensionales (3-D) como las proteínas. Además, debido a la naturaleza lenta del escaneo, sólo se pueden examinar prácticamente unos pocos cientos de moléculas por experimento. Zahl señala que esta limitación podría superarse en el futuro a través de la inteligencia artificial, lo que allanaría el camino hacia la microscopía de sonda de barrido automatizada.

Según Zahl, aunque nc-AFM ha sido aplicado desde entonces por algunos grupos alrededor del mundo, no está muy extendido, especialmente en los Estados Unidos.

"La técnica es todavía relativamente nueva y hay una larga curva de aprendizaje en la adquisición de estructuras moleculares basadas en puntas de CO," ", dijo Zahl." Se necesita mucha experiencia en microscopía de sonda de barrido, así como paciencia ".

Una capacidad y experiencia únicas

El nc-AFM en el CFN representa uno de los pocos en este país. Durante los últimos años, Zahl ha actualizado y personalizado el instrumento, más notablemente con el software y hardware de código abierto, GXSM (para microscopía de barrido Gnome X). Zahl ha estado desarrollando GXSM durante más de dos décadas. Un software y un sistema de control de procesamiento de señales en tiempo real registra continuamente las condiciones de operación y ajusta automáticamente la posición de la punta según sea necesario para evitar colisiones no deseadas cuando el instrumento se opera en un modo de escaneo específico de AFM para registrar las fuerzas sobre las moléculas. Debido a que Zahl escribió el software él mismo, Puede programar e implementar nuevas imágenes o modos de operación para mediciones novedosas y agregar funciones para ayudar a los operadores a explorar mejor el mundo atómico.

Por ejemplo, Recientemente, Zahl aplicó un modo de "corte" personalizado para determinar la configuración geométrica tridimensional en la que una sola molécula de dibenzotiopeno (DBT), una molécula aromática que contiene azufre que se encuentra comúnmente en el petróleo, se adsorbe sobre una superficie de oro. La molécula de DBT no es completamente plana, sino inclinada en ángulo, por lo que combinó una serie de imágenes de fuerza (cortes) para crear una representación de tipo topográfico de la estructura completa de la molécula.

"En este modo, obstáculos como los átomos que sobresalen se evitan automáticamente, ", dijo Zahl." Esta capacidad es importante, ya que las medidas de fuerza se toman idealmente en un plano fijo, con la necesidad de estar muy cerca de los átomos para sentir las fuerzas repulsivas y, en última instancia, lograr un contraste de imagen detallado. Cuando las partes sobresalen del plano de la molécula, probablemente tendrán un impacto negativo en la calidad de la imagen ".

Esta imagen de DBT fue parte de una colaboración con Yunlong Zhang, químico orgánico físico en ExxonMobil Research and Engineering Corporate Strategic Research en Nueva Jersey. Zhang conoció a Zahl en una conferencia hace dos años y se dio cuenta de que las capacidades y la experiencia en nc-AFM en CFN tendrían un gran potencial para su investigación sobre química del petróleo.

Zahl y Zhang utilizaron nc-AFM para obtener imágenes de la estructura química no solo de DBT sino también de dos moléculas aromáticas que contienen nitrógeno, carbazol (CBZ) y acridina (ACR), que se observan ampliamente en el petróleo. Al analizar las imágenes, desarrollaron un conjunto de plantillas de características comunes en las moléculas en forma de anillo que pueden usarse para encontrar átomos de azufre y nitrógeno y distinguirlos de los átomos de carbono.

Petróleo:una mezcla compleja

La composición química del petróleo varía ampliamente según dónde y cómo se formó, pero en general contiene principalmente carbono e hidrógeno (hidrocarburos) y cantidades más pequeñas de otros elementos, incluyendo azufre y nitrógeno. Durante la combustión, cuando se quema el combustible, estos "heteroátomos" producen óxidos de azufre y nitrógeno, que contribuyen a la formación de lluvia ácida y smog, ambos contaminantes del aire que son nocivos para la salud humana y el medio ambiente. Los heteroátomos también pueden reducir la estabilidad del combustible y corroer los componentes del motor. Aunque existen procesos de refinamiento, no se elimina todo el azufre y el nitrógeno. La identificación de las estructuras más comunes de moléculas impuras que contienen átomos de nitrógeno y azufre podría conducir a procesos de refinación optimizados para producir combustibles más limpios y eficientes.

"Nuestra investigación anterior con el grupo de IBM en Zurich sobre asfaltenos del petróleo y mezclas de petróleo pesado proporcionó el primer" vistazo "a numerosas estructuras en el petróleo, "dijo Zhang." Sin embargo, se necesitan más estudios sistémicos, especialmente en la presencia de heteroátomos y sus ubicaciones precisas dentro de estructuras de hidrocarburos aromáticos con el fin de ampliar la aplicación de esta nueva técnica para identificar estructuras moleculares complejas en el petróleo ".

Para visualizar los átomos y enlaces en DBT, CBZ, y ACR, los científicos prepararon la punta del nc-AFM con un solo cristal de oro en el ápice y una sola molécula de monóxido de carbono (CO) en el punto de terminación (el mismo tipo de molécula utilizada en el experimento original de IBM). El cristal metálico proporciona un soporte plano y atómicamente limpio del que se puede recoger la molécula de CO.

Después de "funcionalizar" la punta, depositaron algunas de cada una de las moléculas (cantidad de polvo) sobre una superficie de oro dentro del nc-AFM bajo un vacío ultra alto a temperatura ambiente mediante sublimación. Durante la sublimación, las moléculas pasan directamente de una fase sólida a una fase gaseosa.

Aunque las imágenes que obtuvieron se parecen sorprendentemente a dibujos de estructuras químicas, no se puede saber directamente a partir de estas imágenes si hay nitrógeno, azufre, o átomo de carbono presente en un sitio particular. Se necesita algún conocimiento de entrada para deducir esta información.

"Como punto de partida, obtuvimos imágenes de pequeñas moléculas conocidas con los componentes básicos típicos que se encuentran en los hidrocarburos aromáticos policíclicos más grandes; en este caso, en petróleo, ", explicó Zahl." Nuestra idea era ver cómo se ven los bloques de construcción básicos de estas estructuras químicas y usarlos para crear un conjunto de plantillas para encontrarlas en mezclas moleculares desconocidas más grandes ".

Por ejemplo, para moléculas que contienen azufre y nitrógeno en el petróleo, El azufre solo se encuentra en estructuras de anillo con cinco átomos (estructura de anillo de pentágono), mientras que el nitrógeno puede estar presente en anillos con cinco o seis (estructura de anillo hexagonal) átomos. Además de esta geometría de unión, el relativo "tamaño, "o radio atómico, de los elementos puede ayudar a distinguirlos. El azufre es relativamente más grande que el nitrógeno y el carbono, y el nitrógeno es ligeramente más pequeño que el carbono. Es de este tamaño, o "altura, "al que AFM es extremadamente sensible.

"Simplemente hablando, la fuerza que registra el AFM muy cerca de un átomo se relaciona con la distancia y, por lo tanto, con el tamaño de ese átomo; a medida que el AFM escanea una molécula a una altura fija, los átomos más grandes sobresalen más del avión, "explicó Zahl." Por lo tanto, cuanto más grande es el átomo en una molécula, cuanto mayor sea la fuerza que registra el AFM a medida que se acerca a su capa atómica, y la repulsión aumenta dramáticamente. Es por eso que en las imágenes aparece el azufre como un punto brillante, mientras que el nitrógeno parece un poco más tenue ".

Luego, Zahl y Zhang compararon sus imágenes experimentales con las simuladas por computadora que obtuvieron utilizando el método de simulación de partículas de sonda mecánica. Este método simula las fuerzas reales que actúan sobre la molécula de CO en el extremo de la punta mientras escanea las moléculas y se dobla en respuesta. También realizaron cálculos teóricos para determinar cómo el potencial electrostático (distribución de carga) de las moléculas afecta la fuerza medida y se relaciona con su aparición en las imágenes nc-AFM.

"Usamos la teoría funcional de la densidad para estudiar cómo se comportan las fuerzas que siente la molécula de la sonda de CO en presencia del entorno de carga que rodea a las moléculas, ", dijo Zahl." Necesitamos saber cómo se distribuyen los electrones para comprender la fuerza atómica y el mecanismo de contraste de enlace. Estos conocimientos incluso nos permiten asignar enlaces simples o dobles entre átomos mediante el análisis de los detalles de la imagen ".

Avanzando, Zahl continuará desarrollando y mejorando los modos de imagen nc-AFM y las tecnologías relacionadas para explorar muchos tipos de interesantes, desconocido, o moléculas novedosas en colaboración con varios usuarios. Las principales moléculas candidatas de interés incluyen aquellas con grandes momentos magnéticos y propiedades de espín especiales para aplicaciones cuánticas y materiales novedosos similares al grafeno (el grafeno es una hoja de átomos de carbono de un átomo de espesor dispuestas en una red hexagonal) con extraordinarias propiedades electrónicas.

"El CFN tiene capacidades y experiencia únicas en nc-AFM que se pueden aplicar a una amplia gama de moléculas, ", dijo Zahl." En los próximos años, Creo que la inteligencia artificial tendrá un gran impacto en el campo al ayudarnos a operar el microscopio de forma autónoma para realizar las tareas que requieren más tiempo, tedioso, y partes de experimentos propensas a errores. Con este poder especial, nuestras posibilidades de ganar el "juego" mejorarán mucho ".