Al enfocar la luz hasta el tamaño de un átomo, científicos de la Universidad de California, Irvine ha producido las primeras imágenes de los modos normales de vibración de una molécula:los movimientos internos que impulsan la química de todas las cosas, incluida la función de las células vivas.

En un estudio publicado hoy en Naturaleza , Investigadores del Centro de Química en el Límite del Espacio-Tiempo de la UCI describen cómo colocaron la punta de plata terminada atómicamente de un microscopio de túnel de barrido a solo ängstroms de su objetivo:una molécula de porfirina a base de cobalto fijada a una plataforma de cobre. (Las porfirinas son de importancia biológica por su papel en la respiración y la fotosíntesis).

Empujando la molécula con la luz confinada en el átomo de plata, el equipo profundizó en el régimen cuántico entre los átomos vibrantes de la molécula, convirtiéndose en el primero en registrar espectros vibracionales y observar cómo las cargas y corrientes que mantienen unidos a los átomos en enlaces se rigen por las vibraciones moleculares.

"De los cambios estructurales en la química a la señalización molecular, todos los procesos dinámicos de la vida tienen que ver con vibraciones moleculares, sin el cual todo estaría congelado, "dijo el coautor V. Ara Apkarian, Director de CaSTL y Profesor Distinguido de Química de la UCI. "Hace mucho que somos conscientes de estas vibraciones. Durante siglos, hemos estado midiendo sus frecuencias mediante espectroscopía, pero solo ahora hemos podido ver qué se mueve y cómo ".

Coautor Joonhee Lee, Científico investigador de CaSTL, agregó:"Hasta la fecha, Las vibraciones moleculares se han explicado gráficamente utilizando bolas que se mueven y resortes de conexión para representar átomos y enlaces. respectivamente. Ahora podemos visualizar directamente cómo vibran los átomos individuales dentro de una molécula. Las imágenes que proporcionamos aparecerán en los libros de texto para ayudar a los estudiantes a comprender mejor el concepto de modos vibratorios normales. que hasta ahora había sido un concepto teórico ".

Para lograr una resolución atómica, Los investigadores de CaSTL establecieron su experimento en un entorno de vacío extremadamente alto y baja temperatura (6 kelvins) para eliminar todos los movimientos externos y colocaron su sonda de un solo átomo cerca de la molécula objetivo. a una distancia menor que el tamaño de un átomo. Las lentes de vidrio no funcionarían en este tipo de microscopía, en el que las características se resuelven en una escala mil veces menor que la longitud de onda de la luz.

"El límite de lo que se puede ver en la microscopía estándar es la mitad de la longitud de onda de la luz, que es del orden de medio micrón, de donde el microscopio deriva su nombre, ", Dijo Apkarian." El microscopio óptico revolucionó la biología celular porque a través de él se puede observar lo que sucede dentro de una célula, pero una molécula tiene una milésima parte del tamaño de una célula ".

En su experimento, el equipo pinchó y pinchó la molécula a base de cobalto con un átomo de plata golpeado con luz láser, riesgo de agitación del objetivo. Los científicos de CaSTL mitigaron esta posibilidad congelando la muestra sobre un sustrato de cobre. La molécula se aplana al unirse al cobre, exponiéndose al acercamiento cercano de la punta del microscopio de efecto túnel de barrido.

Al mover la punta plateada hacia arriba y hacia abajo en relación con la muestra para mantener una distancia de aproximadamente 2 ängstroms (1 ängstrom equivale a una décima millonésima parte de un metro), los investigadores pudieron registrar diferencias en las frecuencias en varias posiciones dentro de la molécula. Sostienen que la increíble resolución se debe al efecto túnel mecánico cuántico de los plasmones (electrones que interactúan con la luz), contrarrestando la noción de que el efecto túnel disminuiría el campo eléctrico necesario para excitar la molécula.

"Ahora tenemos un microscopio que puede resolver átomos, y lo estamos usando para mirar dentro de las moléculas, que era impensable hace solo unos años, ", Dijo Apkarian." La resolución espacial de la microscopía óptica se ha avanzado en otra muesca, y lo que estamos viendo a esta escala es realmente asombroso ".

Próximo, Los científicos de CaSTL perfeccionarán aún más sus mediciones de los campos eléctricos dentro de las moléculas, trabajar para detectar dónde faltan átomos en las estructuras moleculares, y utilizar principios de interferencia cuántica para caracterizar detalles aún más finos.

"Este equipo apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias alcanzó un hito importante al superar barreras imposibles para desarrollar un nuevo instrumento para 'ver' los átomos individuales de una molécula en tiempo real y en el espacio, "dijo Kelsey Cook, Director del programa de química de NSF. "Esta invención conducirá a comprensión transformadora de cómo reaccionan las moléculas y funcionan las células ".