Las moléculas son tan pequeñas que ni siquiera podemos verlas con microscopios ordinarios. Esto dificulta el estudio de moléculas o reacciones químicas:los investigadores se limitan a observaciones indirectas o modelos informáticos. Un equipo de investigadores de la Universidad de Amsterdam y la Universidad de Nueva York ha encontrado una forma de construir moléculas modelo de tamaño micrométrico utilizando "partículas irregulares". Esto permite un estudio mucho más directo de la dinámica molecular. Los resultados fueron publicados en Comunicaciones de la naturaleza esta semana.

Cuando aprendemos química en la escuela secundaria, utilizamos kits de modelado molecular en los que los átomos están representados por bolas de madera o plástico que puedes conectar para formar moléculas. Estos kits de modelado nos ayudan a visualizar la estructura espacial de las moléculas e imaginar cómo reaccionan, pero obviamente no se producen reacciones químicas reales entre las bolas de madera o de plástico. Ahora resulta que para pelotas muy pequeñas esta situación cambia drásticamente.

Un nuevo kit de modelado

Si bien los kits de modelado molecular pueden ser muy útiles, la mayor parte de nuestro conocimiento real sobre las moléculas surge de una forma mucho más indirecta. Viene, Entre otros, a partir de mediciones del espectro de radiación que absorben las moléculas. Por ejemplo, un espectro infrarrojo proporciona a los científicos una huella digital de las vibraciones moleculares a partir de la cual pueden deducir la composición y estructura molecular. Una vista directa de las moléculas permitiría una comprensión inmediata de su disposición, vibraciones y reacciones moleculares. Sin embargo, este tipo de imágenes directas se ven excluidas por el pequeño tamaño y el rápido movimiento de las moléculas. El hecho de que todas las observaciones de moléculas sean indirectas, desafía nuestra imaginación de las estructuras y reacciones moleculares tridimensionales.

Este problema llevó a los físicos y químicos de la Universidad de Amsterdam y la Universidad de Nueva York a encontrar una manera de combinar la visualización fácil de kits de modelado molecular comunes con la física real que ocurre a la escala subnanométrica de moléculas reales. En los laboratorios de Amsterdam, los científicos lograron construir "moléculas" a partir de pequeñas bolas de plástico del tamaño de un micrómetro, las llamadas partículas coloidales, que se produjeron en los laboratorios de Nueva York. Las partículas se hicieron de tal manera que se atraen entre sí solo en ciertas direcciones, Modelando con mucha precisión los ángulos específicos entre enlaces químicos entre átomos, que determinan la forma en que los átomos se organizan en moléculas.

Estas partículas de tamaño micrométrico combinan lo mejor de ambos mundos:son lo suficientemente pequeñas como para exhibir el movimiento y las vibraciones característicos que experimentan las moléculas debido a la temperatura, pero son lo suficientemente grandes para ser observados y seguidos con un microscopio normal.

Átomos en, moléculas fuera

Para imitar tipos específicos de átomos, Los investigadores de Ámsterdam utilizaron técnicas que se desarrollaron en los últimos años para equipar las partículas coloidales con parches atractivos donde los átomos del modelo podían "hacer clic" entre sí. El número y la configuración de estos parches determina el tipo de átomo que se modela, por ejemplo, imitar átomos de carbono, los investigadores hicieron partículas con cuatro parches en una geometría tetraédrica, o partículas con dos parches en lados opuestos, reproducir los ángulos de enlace de dos estados de enlace bien conocidos de átomos de carbono. Además de eso, y aquí es donde el nuevo kit va mucho más allá de los modelos moleculares comunes, lograron ajustar las interacciones entre los parches para que los átomos del modelo pudieran formar enlaces y dividirse de nuevo exactamente de la misma manera que lo hacen los átomos. en reacciones químicas reales.

El kit de modelado resultó funcionar de manera excelente. Cuando se juntaron varios átomos modelo, los investigadores observaron que las partículas de hecho formaban las "moléculas" que son bien conocidas por la química del carbono. Bajo un microscopio eran visibles análogos de moléculas como el butino y el butano, moléculas que tienen sus átomos principales dispuestos a lo largo de una línea. Moléculas con configuraciones en forma de anillo, que juegan un papel importante en la química orgánica, También se podría modelar:se pudieron observar estructuras como el ciclopentano (una molécula con un anillo de cinco átomos de carbono) y el ciclohexano (con un anillo de seis átomos de este tipo).

Fruncir y catálisis

Debido al mayor tamaño de las moléculas modelo, los investigadores pudieron seguir su formación y movimiento interno en tiempo real y con gran detalle. Esto les permitió ver directamente fenómenos que solo se sabía que ocurrían a partir de observaciones indirectas. Por ejemplo, para la estructura de anillo de cinco átomos del ciclopentano, observaron directamente el movimiento característico de "fruncimiento" de los átomos constituyentes:el anillo de ciclopentano no está fijo en un solo plano, pero se deforma de modo que los átomos constituyentes entran y salen de ese plano. La razón de este comportamiento es que los ángulos naturales entre los átomos no coinciden exactamente con los ángulos necesarios para formar un anillo plano de cinco átomos, y como resultado, siempre hay que arrancar un átomo del plano. Hasta aquí, el movimiento de fruncido resultante solo se había observado mediante mediciones espectroscópicas indirectas, pero ahora los investigadores pudieron ver que sucedía ante sus propios ojos, siguiendo el movimiento directamente en el espacio y el tiempo reales. Descubrieron que los giros se producían colectivamente:el movimiento hacia arriba y hacia abajo de una partícula influía en el de todas las demás partículas del anillo.

Usando la misma molécula, los investigadores pudieron observar cómo se producían las reacciones químicas. Se observó que el anillo se abría y se adhería a otras moléculas, un efecto que podría fortalecerse agregando una superficie atractiva a la configuración. Es decir, la superficie actuó como catalizador, proporcionando información, literalmente, sobre lo que sucede durante tales reacciones catalíticas.

Lo suficientemente pequeño pero lo suficientemente grande

Por supuesto, el tamaño micrométrico de los átomos del modelo sigue siendo un factor de 1000 más o menos más grande que el tamaño subnanométrico de los átomos reales, pero el punto es que son lo suficientemente pequeños como para sufrir un movimiento térmico aleatorio, y esto es lo que hace que sucedan las reacciones químicas. Como lo expresó Richard Feynman en sus conferencias, "Todo lo que hacen los seres vivos puede entenderse en términos de las sacudidas y contoneos de los átomos"; y son precisamente estos bamboleos y contoneos, claramente observable al mirar los átomos coloidales con un microscopio, que distinguen el kit de modelado molecular de tamaño micrométrico de su contraparte que conocemos de la escuela secundaria.

Por lo tanto, el kit de modelado es una herramienta muy útil para observar directamente "moléculas" en su hábitat natural, y debería tener muchas aplicaciones útiles. Además de ofrecer una atractiva visualización de las moléculas, los resultados proporcionan información sobre la acción de los catalizadores geométricos en las reacciones moleculares. Es más, la disponibilidad de los nuevos pequeños bloques de construcción abre la puerta al diseño de nuevos materiales complejos, directamente bajo el microscopio, con una serie de aplicaciones que van desde tejido artificial para p. ej. desde fines médicos hasta nanoestructuras funcionales que se pueden utilizar en tecnología.