Un equipo internacional de científicos ha desarrollado un método para romper y formar enlaces moleculares aplicando voltaje a una molécula usando una punta afilada de solo unos pocos átomos de ancho. Crédito:2022 KAUST; Anastasia Serín.
Las reacciones químicas a menudo producen mezclas desordenadas de diferentes productos. Por lo tanto, los químicos dedican mucho tiempo a convencer a sus reacciones de que sean más selectivas para crear moléculas específicas. Ahora, un equipo internacional de investigadores ha logrado ese tipo de selectividad al enviar pulsos de voltaje a una sola molécula a través de una punta increíblemente afilada.
"Controlar la ruta de una reacción química, según los pulsos de voltaje utilizados, no tiene precedentes y es muy atractivo para los químicos", dice Shadi Fatayer de KAUST.
El equipo utilizó un instrumento que combina la microscopía de túnel de barrido (STM) y la microscopía de fuerza atómica (AFM). Ambas técnicas pueden trazar las posiciones de los átomos dentro de las moléculas individuales utilizando una punta que puede tener solo unos pocos átomos de ancho. Pero el voltaje también se puede usar para romper enlaces dentro de una molécula, lo que podría permitir que se formen nuevos enlaces.
"Las reacciones controladas por la punta se han realizado previamente, pero no hubo control sobre el producto final", dice Fatayer. "La selectividad es el elemento clave aquí:según la polaridad y el valor de los pulsos de voltaje, podemos formar y romper diferentes enlaces internos a voluntad".
Los investigadores utilizaron este enfoque para estudiar el tetraclorotetraceno, una molécula que contiene cuatro átomos de cloro unidos a una fila de cuatro anillos hexagonales de átomos de carbono. La aplicación de un voltaje de aproximadamente 3,5 V eliminó dos átomos de cloro y provocó que la molécula se reorganizara. Al aumentar el voltaje, se eliminaron los átomos de cloro restantes, lo que provocó más reordenamientos que formaron tres productos diferentes.
El primer producto tiene cuatro anillos hexagonales dispuestos en zig-zag; el segundo tiene un anillo de 10 miembros flanqueado por dos anillos de seis miembros; y el tercero contiene un anillo de cuatro miembros, un anillo de ocho miembros y dos anillos de seis miembros.
Se podrían usar pequeños pulsos de voltaje para interconvertir estos productos. Al ajustar el voltaje, los investigadores pudieron controlar qué enlaces se rompieron y qué producto de reordenamiento se formó.
Combinando sus resultados con cálculos teóricos, los investigadores demostraron que la selectividad del método depende del panorama de estados de energía que adoptan las moléculas cuando llevan diferentes cargas eléctricas, conocido como su estado de oxidación. Dado que el estado de oxidación inicial de una molécula puede controlarse mediante un campo eléctrico, este enfoque podría ayudar a los químicos a diseñar nuevas reacciones y productos químicos, dice Fatayer. Esta investigación apareció en la portada de Science .
Su grupo ahora está desarrollando formas de agregar o eliminar electrones individuales a moléculas individuales y aplicar pulsos de voltaje a partes específicas de una molécula para controlar qué reacción química ocurre. Los químicos cambian los enlaces entre los átomos en una sola molécula por primera vez
