Investigadores del Instituto de Tecnología de California (Caltech) han ideado una nueva técnica, utilizando una hoja de carbono de solo un átomo de espesor, para visualizar la estructura de las moléculas. La técnica, que se utilizó para obtener las primeras imágenes directas de cómo el agua recubre las superficies a temperatura ambiente, también se puede utilizar para obtener imágenes de un número potencialmente ilimitado de otras moléculas, incluyendo anticuerpos y otras biomoléculas.

Un artículo que describe el método y los estudios de las capas de agua aparece en la edición del 3 de septiembre de la revista. Ciencias .

"Casi todas las superficies tienen una capa de agua, "dice James Heath, la profesora Elizabeth W. Gilloon y profesora de química en Caltech, "y que el agua domina las propiedades interfaciales", propiedades que afectan el desgaste de esa superficie. Si bien los recubrimientos superficiales de agua son omnipresentes, también son muy difíciles de estudiar, porque las moléculas de agua están "en constante flujo, y no se quede quieto el tiempo suficiente para permitir mediciones, " él dice.

Por accidente, Heath y sus colegas desarrollaron una técnica para precisar las moléculas en movimiento, en condiciones de temperatura ambiente. "Fue un feliz accidente, uno en el que fuimos lo suficientemente inteligentes como para reconocer el significado de, ", dice." Estábamos estudiando el grafeno en una superficie atómicamente plana de mica y encontramos algunas estructuras en forma de isla a nanoescala atrapadas entre el grafeno y la mica que no esperábamos ver ".

Grafeno que se compone de una capa de átomos de carbono de un átomo de espesor en una red en forma de panal (como alambre de gallinero, pero a escala atómica), debe ser completamente plano cuando se coloca en capas sobre una superficie atómicamente plana. Heath y sus colegas, el ex estudiante graduado de Caltech Ke Xu, ahora en la Universidad de Harvard, y el estudiante de posgrado Peigen Cao, pensó que las anomalías podrían ser agua, capturado y atrapado bajo el grafeno; moléculas de agua, después de todo, están en todos lados.

Para probar la idea, los investigadores llevaron a cabo otros experimentos en los que depositaron las láminas de grafeno a distintos niveles de humedad. Las estructuras extrañas se volvieron más frecuentes a mayor humedad, y desapareció en condiciones completamente secas, lo que llevó a los investigadores a concluir que de hecho eran moléculas de agua cubiertas por el grafeno. Heath y sus colegas se dieron cuenta de que la hoja de grafeno era "atómicamente conforme":abrazó las moléculas de agua con tanta fuerza, casi como una envoltura retráctil, que reveló su estructura atómica detallada cuando se examinó con microscopía de fuerza atómica. (Los microscopios de fuerza atómica usan una sonda mecánica para esencialmente "sentir" las superficies de los objetos).

"La técnica es completamente simple, es notable que funcione, "Heath dice. El método, el explica, "es algo así como la forma en que la gente arroja carbono u oro a las células biológicas para poder visualizarlas. El carbono o el oro fija las células. Aquí, el grafeno moldea perfectamente las moléculas de agua débilmente adsorbidas en la superficie y las mantiene en su lugar, durante un par de meses como mínimo ".

Usando la técnica, los investigadores revelaron nuevos detalles sobre cómo el agua recubre las superficies. Descubrieron que la primera capa de agua en la mica es en realidad dos moléculas de agua de espesor, y tiene la estructura del hielo. Una vez que esa capa esté completamente formada, un segundo, Se forma una capa de hielo de dos moléculas de espesor. Además de eso, "obtienes gotitas, Heath dice. Es realmente sorprendente que las dos primeras capas de agua adsorbidas formen islas microscópicas parecidas al hielo a temperatura ambiente. "dice Xu." Estas fascinantes estructuras probablemente sean importantes para determinar las propiedades superficiales de los sólidos, incluso, por ejemplo, lubricación, adhesión, y corrosión ".

Desde entonces, los investigadores han probado con éxito otras moléculas en otros tipos de superficies atómicamente planas; tal planitud es necesaria para que las moléculas no encajen en imperfecciones en la superficie. distorsionando su estructura medida a través de la capa de grafeno. "Todavía tenemos que encontrar un sistema para el que esto no funcione, "dice Heath. Él y sus colegas ahora están trabajando para mejorar la resolución de la técnica de modo que pueda usarse para obtener imágenes de la estructura atómica de biomoléculas como anticuerpos y otras proteínas". Anteriormente hemos observado átomos individuales en el grafeno utilizando el túnel de exploración microscopio, ", dice Cao." Una resolución similar también debería ser posible para las moléculas cubiertas de grafeno ".

"Podríamos colocar grafeno sobre moléculas biológicas, incluidas moléculas en entornos al menos parcialmente acuosos, porque puede tener agua presente y potencialmente obtener su estructura tridimensional, "Dice Heath. Incluso puede ser posible determinar la estructura de moléculas complicadas, como complejos proteína-proteína, "que son muy difíciles de cristalizar, " él dice.

Mientras que los datos de una molécula pueden revelar la estructura general, los datos de 10 revelarán características más finas, y el ensamblaje computacional de los datos de 1, 000 moléculas idénticas podrían revelar cada rincón atómico y cada grieta.

Si imagina que el grafeno que cubre una molécula es como una sábana arrojada sobre un gato dormido en su cama, Heath explica, tener una imagen del bulto cubierto con una sábana, en una orientación, "te dirá que es un animal pequeño, no un zapato. Con 10 imágenes, se puede decir que es un gato y no un conejo. Con muchas más imágenes, sabrás si es un gato peludo, aunque nunca verás las rayas atigradas ".