Investigadores de la Universidad de Regensburg rastrean el primer paso en la reacción de un solo pigmento de tinte con oxígeno con una resolución sin precedentes.

¿Por qué los colores de una camiseta se desvanecen con el tiempo bajo el sol? ¿Por qué te quemas con el sol? y ¿por qué las hojas de un árbol se vuelven marrones en otoño? Todas estas preguntas tienen un tema en común:la interacción entre los pigmentos colorantes y el oxígeno ambiental. Todos los niños aprenden sobre esta reacción química en la escuela, que es el proceso de oxidación en el aire que respiramos. Entonces, ¿qué podría quedar por investigar?

El oxígeno es una molécula asombrosa porque es magnética. En forma líquida, a muy bajas temperaturas, puede ser recogido por un imán al igual que las limaduras de hierro. Esta propiedad está relacionada con los electrones del oxígeno. Todas las moléculas están formadas por núcleos atómicos y electrones, que se comportan como minúsculas agujas de un compás. Generalmente, estas agujas se colocan en pares apuntando en direcciones opuestas de modo que sus fuerzas magnéticas se cancelen. En una molécula de oxígeno que consta de dos átomos de oxígeno, sin embargo, las dos agujas de la brújula apuntan en la misma dirección, haciendo que el oxígeno sea magnético.

Moléculas de tinte, como los que se utilizan para colorear una camiseta, no son magnéticos porque las agujas de la brújula de los electrones apuntan en direcciones opuestas. Cuando la luz brilla sobre una molécula así, se absorberá un cierto color de la luz, dando al tinte su aspecto característico. En este proceso de absorción de luz, la energía de la luz se transfiere a un electrón en la molécula de tinte, romper el emparejamiento original de dos electrones y permitir que la aguja de la brújula del electrón excitado cambie espontáneamente su alineación. Cuando ocurre este proceso, el electrón ya no puede volver a su estado original. La molécula de tinte se vuelve magnética, entrando en lo que se conoce como un "estado triplete".

Un equipo de investigación internacional dirigido por el profesor Jascha Repp ha logrado revelar cómo esta energía tripleta se transfiere de una sola molécula de tinte a una sola molécula de oxígeno. Este proceso es parte integral de la vida cotidiana, donde muchas reacciones de oxidación proceden a través del estado triplete excitado. Mientras la molécula resida en este estado, retiene la energía que le imparte la luz, facilitando así las reacciones químicas. La mayoría de las reacciones químicas, como la combustión, requieren algo de energía inicial, como una chispa, para comenzar.

Una disipación completa de la energía dentro de la molécula de tinte requiere otra inversión de la alineación de la aguja de la brújula electrónica, que es un proceso lento e improbable. Alternativamente, la energía luminosa dentro de la molécula de tinte, que corresponde a una energía magnética, puede simplemente transferirse a otra molécula magnética, como el oxígeno, un proceso muy parecido al de voltear una barra magnética girando otra cercana. Esta transferencia de energía desexcita la molécula de tinte, pero tiende a hacer que la propia molécula de oxígeno sea altamente reactiva, destruyendo finalmente la molécula de tinte. Este efecto se puede ver en camisetas decoloradas o quemaduras solares, donde las moléculas de tinte son los pigmentos de la piel.

El equipo ha logrado rastrear esta transferencia de energía entre el tinte y la molécula de oxígeno directamente en el espacio. sin destruir la molécula de tinte. Para hacer esto, se colocaron moléculas individuales en una superficie y se enfriaron a temperaturas muy bajas cercanas a las del universo. Usando el llamado "microscopio de fuerza atómica" que consiste en una aguja muy fina con un solo átomo en su punta, los investigadores pudieron obtener imágenes de los átomos individuales de la molécula de tinte escaneando la punta a través de ella. Al aplicar una secuencia de pulsos eléctricos a la molécula de tinte, podrían conducirlo al estado de triplete magnético de forma controlada. La transferencia de energía de este estado de triplete excitado a las moléculas de oxígeno cercanas se siguió en el tiempo midiendo cambios minúsculos en la fuerza que actúa sobre la punta.

Este enfoque novedoso, reportado en Ciencias , permitió a los investigadores probar muchas geometrías diferentes de la disposición de la molécula de tinte y el oxígeno. De este modo, la interacción entre las disposiciones moleculares a nivel atómico y la velocidad a la que se produce dicha transferencia de energía podría resolverse por primera vez. Los científicos ahora apuntan a finalmente poder formular un marco microscópico subyacente de reacciones de oxidación fundamentales. Además de la incómoda decoloración de las camisetas, Tal interacción entre las excitaciones de tripletes moleculares es de importancia central para una variedad de desarrollos tecnológicos, como en diodos emisores de luz orgánicos (OLED) y células solares orgánicas, en la conversión de energía fotocatalítica y la fotosíntesis, y en la terapia fotodinámica del cáncer.