Los modelos y diagramas esquemáticos son herramientas poderosas para estudiar el funcionamiento fundamental de la química, pero no son suficientes para Wilson Ho.

"Átomos, moléculas y los enlaces que las mantienen unidas:quiero ver estas cosas como realmente aparecen en la naturaleza, "dice Ho, Profesor Donald Bren de Física, Astronomía y Química de la UCI. "Estos fenómenos son fundamentales para la química; es importante visualizarlos directamente en lugar de simplemente estudiarlos a partir de dibujos en libros de texto".

Ho, que llegó a la UCI en 2000, ha hecho una carrera tratando de comprender el comportamiento intermolecular. Quiere saber "cuál es la naturaleza de esta interacción, lo que realmente está sucediendo en el punto de unión y lo que hace que las moléculas se atraigan entre sí para formar una forma más complicada, estructuras extendidas? "

En meses recientes, él y su grupo de investigación han logrado avances significativos en sus esfuerzos por ver estos procesos hasta ahora invisibles. Su objetivo era obtener una instantánea de los enlaces químicos relacionados con el flúor, que comparte una columna en la tabla periódica con otros denominados elementos halógenos, incluido el cloro, bromo y yodo.

El flúor se usa en muchos medicamentos y en polímeros que componen muchos de los materiales que la gente usa a diario. Pero, según Ho, incluso los fabricantes que manipulan moléculas que contienen el elemento no tienen claro cómo interactúa con los compuestos adyacentes.

Usando un único en su tipo, microscopio hecho a mano, Ho y sus estudiantes de posgrado lograron obtener imágenes de enlaces halógenos en el espacio real e informaron sus hallazgos en Ciencias este verano.

"Las opiniones obtenidas anteriormente a través de nuestro método han demostrado que muchos enlaces químicos son bastante similares en el mundo real a lo que se ve en la literatura:básicamente, átomos con líneas que los conectan, "Ho dice". Pero el patrón del enlace flúor-halógeno, una especie de forma de molinete, fue bastante sorprendente, ciertamente diferente a todo lo que dibujarías en una hoja de papel ".

El veterano científico dice que esta línea de investigación ha impulsado una evolución en su pensamiento sobre los enlaces químicos, que se clasifican en epígrafes como el hidrógeno, covalente iónico y halógeno, así como vínculos débiles conocidos como interacciones de Van der Waals que Ho compara con los pasos pegajosos de un gecko.

"La implicación más profunda de nuestro trabajo es que todos estos diferentes tipos de enlaces químicos pueden describirse dentro de una imagen más unificada, ", dice." Utilizando nuestro aparato y técnica, podemos ver que los enlaces covalentes fuertes y los enlaces halógenos más débiles parecen muy similares; solo hay una diferencia en la fuerza y ​​el grado de intercambio de electrones ".

La clave de todos los descubrimientos del laboratorio de Ho es un instrumento llamado microscopio de túnel de barrido. Ocupando tres niveles en el sótano de Reines Hall, la enorme conglomeración de cámaras y tuberías de acero inoxidable, la mayor parte cubierta con papel de aluminio arrugado, está conectada por millas de alambres y cables y rodeada por bancos de computadoras y otros equipos electrónicos.

Diseñado y construido por Ho y estudiantes graduados, el aparato se mantiene suspendido sobre un conjunto de cuatro puntales amortiguadores para minimizar cualquier perturbación de las vibraciones externas. Este microscopio no usa lentes ópticos. En lugar de, imagina moléculas con una punta emisora ​​de electrones, o aguja, colocado a solo 5 angstroms de los sujetos. (En comparación, un átomo de hidrógeno es medio angstrom.) La aguja es estable hasta una milésima de angstrom.

Otra clave para la estabilidad y precisión del instrumento es su temperatura de funcionamiento, 600 milikelvins. Cero absoluto, la temperatura teórica más baja, es más frío en solo seis décimas de kelvin.

"Esto nos da una muy buena resolución energética, lo que nos permite medir con precisión pequeñas ondas electrostáticas dentro y entre las moléculas que estamos estudiando, "Dice Ho." Podemos obtener imágenes monitoreando las variaciones en la intensidad vibratoria de nuestra molécula sonda ".

Para bajar a esa temperatura aprovecha su propio suministro de helio líquido, que recicla en otra instalación de Reines Hall, también diseñado y construido por su equipo. "Nos gusta construir nuestros propios instrumentos, "Ho dice." Proporciona una buena formación para los estudiantes. Cuando se vayan de aquí pueden confiar en toda esa experiencia para resolver problemas y fabricar dispositivos. No muchos lugares hacen eso ".

Uno de esos estudiantes de posgrado, Gregory Czap, ha dejado su huella en el microscopio al inventar dispositivos entrelazados que permiten a los investigadores cambiar rápidamente de experimento.

"Creo que es fenomenal ponerse a trabajar en una máquina como esta, ", dice." Te da la capacidad de mirar átomos individuales y enlaces. Ese tipo de cosas, no hace mucho tiempo, la gente no creía que jamás pudieras ver. Y mas que mirarlos puedes jugar con ellos. Puedes hacer cosas como romper y formar vínculos. Puede reposicionar moléculas para ver cómo interactúan entre sí. Es simplemente increíble."