El equipo utilizó un microscopio de fuerza atómica (AFM) de alta resolución que operaba en un ambiente controlado en el Centro de Análisis e Imágenes de Princeton. La sonda AFM, cuya punta termina en un solo átomo de cobre, se acercó gradualmente al enlace hierro-carbono hasta que se rompió. Los investigadores midieron las fuerzas mecánicas aplicadas en el momento de la rotura, que era visible en una imagen capturada por el microscopio. Un equipo de la Universidad de Princeton, la Universidad de Texas-Austin y ExxonMobil informaron los resultados en un artículo publicado el 24 de septiembre en Comunicaciones de la naturaleza .

"Es una imagen increíble:poder ver realmente una sola molécula pequeña en una superficie con otra adherida a ella es asombroso, "dijo el coautor Craig Arnold, la profesora Susan Dod Brown de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial y directora del Instituto de Princeton para la Ciencia y Tecnología de Materiales (PRISM).

"El hecho de que pudiéramos caracterizar ese vínculo en particular, tanto tirando de él como empujándolo, nos permite comprender mucho más sobre la naturaleza de este tipo de vínculos:su fuerza, cómo interactúan, y esto tiene todo tipo de implicaciones, particularmente para catálisis, donde tienes una molécula en una superficie y luego algo interactúa con ella y hace que se rompa, "dijo Arnold.

Nan Yao, investigador principal del estudio y director del Centro de Análisis e Imágenes de Princeton, señaló que los experimentos también revelaron información sobre cómo la rotura de enlaces afecta las interacciones de un catalizador con la superficie sobre la que se adsorbe. Mejorar el diseño de catalizadores químicos tiene relevancia para la bioquímica, ciencia de materiales y tecnologías energéticas, agregó Yao, quien también es profesor de práctica e investigador senior en PRISM.

En los experimentos, el átomo de carbono era parte de una molécula de monóxido de carbono y el átomo de hierro era de ftalocianina de hierro, un pigmento común y un catalizador químico. La ftalocianina de hierro está estructurada como una cruz simétrica, con un solo átomo de hierro en el centro de un complejo de anillos conectados basados ​​en nitrógeno y carbono. El átomo de hierro interactúa con el carbono del monóxido de carbono, y el hierro y el carbono comparten un par de electrones en un tipo de enlace covalente conocido como enlace dativo.

Yao y sus colegas utilizaron la punta de la sonda a escala atómica del instrumento AFM para romper el enlace hierro-carbono controlando con precisión la distancia entre la punta y las moléculas unidas. hasta incrementos de 5 picómetros (5 mil millonésimas de milímetro). La rotura ocurrió cuando la punta estaba 30 picómetros por encima de las moléculas, una distancia que corresponde a aproximadamente un sexto del ancho de un átomo de carbono. A esta altura, la mitad de la molécula de ftalocianina de hierro se volvió más borrosa en la imagen AFM, indicando el punto de ruptura del enlace químico.

Los investigadores utilizaron un tipo de AFM conocido como sin contacto, en el que la punta del microscopio no contacta directamente con las moléculas que se están estudiando, sino que utiliza cambios en la frecuencia de vibraciones de escala fina para construir una imagen de la superficie de las moléculas.

Midiendo estos cambios de frecuencia, los investigadores también pudieron calcular la fuerza necesaria para romper el vínculo. Una punta de sonda de cobre estándar rompió el enlace hierro-carbono con una fuerza de atracción de 150 piconewtons. Con otra molécula de monóxido de carbono unida a la punta, el enlace se rompió por una fuerza repulsiva de 220 piconewtons. Para profundizar en las bases de estas diferencias, el equipo utilizó métodos de simulación cuántica para modelar cambios en las densidades de electrones durante las reacciones químicas.

El trabajo aprovecha la tecnología AFM avanzada por primera vez en 2009 para visualizar enlaces químicos simples. La ruptura controlada de un enlace químico utilizando un sistema AFM ha sido más desafiante que estudios similares sobre la formación de enlaces.

"Es un gran desafío mejorar nuestra comprensión de cómo se pueden llevar a cabo las reacciones químicas mediante la manipulación de átomos, es decir, con la punta de un microscopio de sonda de barrido, "dijo Leo Gross, quien dirige el grupo de investigación de manipulación de átomos y moléculas en IBM Research en Zurich, y fue el autor principal del estudio de 2009 que resolvió por primera vez la estructura química de una molécula mediante AFM.

Al romper un vínculo particular con diferentes puntas que utilizan dos mecanismos diferentes, El nuevo estudio contribuye a "mejorar nuestra comprensión y control de la escisión de enlaces mediante la manipulación de átomos. Se suma a nuestra caja de herramientas para la química mediante la manipulación de átomos y representa un paso adelante hacia la fabricación de moléculas diseñadas de complejidad creciente," "agregó Bruto, que no participó en el estudio.

Los experimentos son sumamente sensibles a las vibraciones externas y otros factores de confusión. El instrumento AFM especializado del Centro de imágenes y análisis está alojado en un entorno de alto vacío, y los materiales se enfrían a una temperatura de 4 Kelvin, solo unos grados por encima del cero absoluto, utilizando helio líquido. Estas condiciones controladas producen mediciones precisas al garantizar que los estados e interacciones energéticos de las moléculas se vean afectados solo por las manipulaciones experimentales.

"Necesitas una muy buena, sistema limpio porque esta reacción podría ser muy complicada, con tantos átomos involucrados, es posible que no sepa qué vínculo rompe a una escala tan pequeña, "dijo Yao." El diseño de este sistema simplificó todo el proceso y aclaró lo desconocido "al romper un enlace químico, él dijo.

Los autores principales del estudio fueron Pengcheng Chen, un investigador asociado en PRISM, y Dingxin Fan, un doctorado estudiante de la Universidad de Texas-Austin. Además de Yao, otros autores correspondientes fueron Yunlong Zhang de ExxonMobil Research and Engineering Company en Annandale, New Jersey, y James R. Chelikowsky, profesor en UT Austin. Además de Arnold, otros coautores de Princeton fueron Annabella Selloni, el profesor de química David B. Jones, y Emily Carter, el Profesor Gerhard R. Andlinger '52 de Energía y Medio Ambiente. Otros coautores de ExxonMobil fueron David Dankworth y Steven Rucker.