Un equipo internacional de investigadores del Centro Internacional de Física de Donostia, Instituto Fritz-Haber de la Sociedad Max Planck, Universidad de Liverpool, y la Academia de Ciencias de Polonia ha mostrado una nueva forma de operar un interruptor de una sola molécula mediante la aplicación de una fuerza externa.

El trabajo teórico y experimental combinado, publicado esta semana en Química de la naturaleza , abre una capacidad única para estudiar la activación mecánica y el procesamiento a nivel de una sola molécula, reacciones elementales que están involucradas en muchas funciones biológicas importantes y son cruciales en los dispositivos moleculares.

La fuerza que se requiere para activar un interruptor de luz en una pared es leve. Pero, ¿cuánta fuerza necesitas aplicar si el dispositivo estaba a nanoescala? | Es decir, ¿Cuánta fuerza se necesita para operar un "interruptor de una sola molécula"? Esta cuestión fundamental está relacionada no solo con la ciencia básica, sino también con las posibles aplicaciones futuras de los dispositivos moleculares.

Investigadores del Centro Internacional de Física de Donostia, San Sebastián (País Vasco, España), Instituto Fritz-Haber de la Sociedad Max Planck, Berlín, Alemania), Universidad de Liverpool, (Reino Unido) y la Academia de Ciencias de Polonia, Varsovia (Polonia) ha logrado activar de manera controlada un "interruptor de una sola molécula" mediante la fuerza de la aguja atómicamente afilada de un microscopio de sonda de barrido de última generación.

El estudio experimental y teórico, informó hoy en la prestigiosa revista Química de la naturaleza , demuestra que se puede desencadenar una transferencia de átomo de hidrógeno intramolecular en una molécula orgánica adecuada adsorbida en una superficie acercando suficientemente la punta metálica afilada. La reacción, llamada tautomerización, es importante en química orgánica y biología molecular y también es un fenómeno interesante para los dispositivos electrónicos moleculares.

Los investigadores no solo pudieron cuantificar la fuerza necesaria para operar su pequeño interruptor, una molécula de porficeno en una superficie de cobre, pero también revelan que el cambio solo se puede inducir en posiciones muy específicas de la punta sobre la molécula, con una resolución espacial de una fracción de la longitud de un enlace químico, a saber, aproximadamente 0,00000002 milímetros. Es más, demostraron la importancia de la "reactividad química" del vértice de la punta en el proceso inducido por la fuerza, ya que la molécula no se puede cambiar cuando el vértice de la aguja está decorado por un solo átomo de xenón, un elemento inerte que carece de la reactividad química requerida.

Takashi Kumagai en FHI-MPG, quien concibió este estudio, construyó la configuración experimental en la que una aguja oscilante de una fuerza atómica combinada y un microscopio de efecto túnel de barrido se acerca a unas pocas distancias atómicas a la molécula. El cambio se mostró como un rasgo característico en los cambios de frecuencia al acercarse a la punta y también fue confirmado por cambios en las imágenes de escala atómica al escanear simultáneamente la punta sobre la molécula. Se midió que la fuerza requerida era de aproximadamente un nano-Newton, que es un poco menos que la fuerza necesaria para romper un enlace covalente típico entre dos átomos.

El equipo de investigación también llevó a cabo extensas simulaciones por computadora para dilucidar el mecanismo atomístico detrás de la conmutación inducida por la fuerza. Las simulaciones reprodujeron con éxito los resultados experimentales y proporcionaron una descripción atomística del funcionamiento del interruptor de una sola molécula. Thomas Frederiksen, El profesor de investigación Ikerbasque del Centro Internacional de Física de Donostia (DIPC) - UPV / EHU explica que "nuestros cálculos revelaron que la tautomerización, ese es el cambio, ocurre por una reducción de su barrera de activación de energía al acercarse a una punta metálica. Sin embargo, el comportamiento cambia drásticamente con una punta terminada en xenón y no se pudo inducir tautomerización debido a su inercia y suavidad ".

Los investigadores enfatizan que la reacción inducida por la fuerza estudiada que involucra cambios en la vía de reacción se asemeja a un paso elemental en los procesos catalíticos. Por lo tanto, sus resultados también proporcionan una estrategia novedosa para obtener una visión atomística más profunda de las reacciones catalíticas, conduciendo a un nuevo control de la química a nivel atómico.