El microscopio de barrido de túnel. Crédito:Universidad de Bath
Los físicos de la Universidad de Bath han descubierto cómo manipular y controlar moléculas individuales durante una millonésima de mil millonésima de segundo, después de estar intrigado por algunos resultados aparentemente extraños.
Su nueva técnica es la forma más sensible de controlar una reacción química en algunas de las escalas más pequeñas que los científicos pueden trabajar, a nivel de una sola molécula. Abrirá posibilidades de investigación en los campos de la nanociencia y la nanofísica.
Un experimento en el límite extremo de la nanociencia llamado "manipulación molecular STM (microscopio de túnel de barrido)" se utiliza a menudo para observar cómo reaccionan las moléculas individuales cuando se excitan añadiendo un solo electrón.
Un químico tradicional puede usar un tubo de ensayo y un mechero Bunsen para provocar una reacción; aquí usaron un microscopio y su corriente eléctrica para impulsar la reacción. La corriente es tan pequeña que se parece más a una serie de electrones individuales que golpean la molécula objetivo. Pero todo este experimento es un proceso pasivo:una vez que se agrega el electrón a la molécula, los investigadores solo observan lo que sucede.
Pero cuando la Dra. Kristina Rusimova revisó sus datos del laboratorio mientras estaba de vacaciones, descubrió algunos resultados anómalos en un experimento estándar, que en una investigación adicional no se pudo explicar. Cuando aumenta la corriente eléctrica, las reacciones siempre van más rápido, excepto que aquí no fue así.
La Dra. Rusimova y sus colegas pasaron meses pensando en posibles explicaciones para desacreditar el efecto, y repitiendo los experimentos, pero finalmente se dieron cuenta de que habían encontrado una manera de controlar los experimentos de una sola molécula en un grado sin precedentes, en una nueva investigación publicada en Ciencias .
El equipo descubrió que al mantener la punta de su microscopio muy cerca de la molécula que se está estudiando, dentro de 600-800 billonésimas de metro, la duración del tiempo que el electrón se adhiere a la molécula objetivo puede reducirse en más de dos órdenes de magnitud, y así la reacción resultante, aquí impulsando moléculas individuales de tolueno a despegar (desorber) de una superficie de silicio, puede ser controlado.
El equipo cree que esto se debe a que la punta y la molécula interactúan para crear un nuevo estado cuántico, que ofrece un nuevo canal para que el electrón salte desde la molécula, reduciendo así el tiempo que el electrón pasa en la molécula y reduciendo así las posibilidades de que ese electrón provoque una reacción.
En su forma más sensible, esto significa que el tiempo de la reacción se puede controlar por su límite natural a 10 femtosegundos hasta solo 0,1 femtosegundos.
Dr. Peter Sloan usando el microscopio de túnel de barrido. Crédito:Dr. Peter Sloan
El Dr. Rusimova dijo:"Estos eran datos de un experimento completamente estándar que estábamos haciendo porque pensamos que habíamos agotado todas las cosas interesantes; esto era solo una verificación final. Pero mis datos se veían 'incorrectos':se suponía que todos los gráficos debían funcionar subió y el mío bajó ".
Dr. Peter Sloan, autor principal del estudio, agregó:"Si esto era correcto, tuvimos un efecto completamente nuevo, pero sabíamos que si íbamos a reclamar algo tan sorprendente, teníamos que trabajar un poco para asegurarnos de que sea real y no se reduzca a falsos positivos ".
"Siempre pienso que nuestro microscopio es un poco como el Halcón Milenario, no demasiado elegante, mantenidos unidos por las personas que lo dirigen, pero absolutamente fantástico en lo que hace. Entre Kristina y Ph.D. estudiante Rebecca Purkiss, el nivel de control espacial que tenían sobre el microscopio fue la clave para desbloquear esta nueva física ".
El Dr. Sloan agregó:"El objetivo fundamental de este trabajo es desarrollar las herramientas que nos permitan controlar la materia en este límite extremo. Ya sea rompiendo enlaces químicos que la naturaleza realmente no quiere que rompas, o producir arquitecturas moleculares termodinámicamente prohibidas. Nuestro trabajo ofrece una nueva ruta para controlar moléculas individuales y su reacción. Básicamente, tenemos un nuevo dial que podemos configurar al ejecutar nuestro experimento. La naturaleza extrema de trabajar en estas escalas hace que sea difícil de hacer, pero tenemos una resolución y reproducibilidad extremas con esta técnica ".
El equipo espera que su nueva técnica abra la puerta a muchos nuevos experimentos y descubrimientos a nanoescala. gracias a las opciones que brinda por primera vez.
