Desde que se probó la existencia de moléculas y se predijeron reacciones moleculares, los humanos han querido observar visualmente cómo se desarrollan tales eventos. Tales observaciones de reacciones de una sola molécula son muy importantes para la comprensión fundamental de las ciencias químicas, que ayudaría en el desarrollo de nuevos catalizadores, materiales o drogas, y ayúdanos a descifrar los complejos procesos bioquímicos. Sin embargo, esto no fue posible durante mucho tiempo en la química moderna, y hasta ahora la información de los procesos dinámicos en la escala nanométrica se obtenía sólo de métodos indirectos porque las moléculas eran demasiado pequeñas para ser visualizadas.

Hallazgos recientes de los investigadores del Centro de Nanomedicina del Instituto de Ciencias Básicas, Corea del Sur, junto con investigadores de Japón y Alemania pueden haber cambiado esto. El grupo observó con éxito la síntesis ascendente de fullereno C60, que es un alótropo de carbono que se asemeja a un balón de fútbol, y produjo una imagen de video que detalla el proceso utilizando microscopía electrónica en tiempo real de resolución atómica de una sola molécula (SMART-EM). Esto fue posible con el advenimiento de la microscopía electrónica de transmisión (TEM) con corrección de aberraciones y el establecimiento de las condiciones para resolver objetos del tamaño de un subnanómetro, como moléculas e incluso átomos individuales.

En su experimento, los investigadores trabajaron con un derivado de truxeno hecho a medida (C60H30), que tiene la forma de una pelota de fútbol plana como material de partida. Para la observación TEM, el truxeno se fijó en una monocapa de grafeno, lo que evita que la molécula se traslade rápidamente a través de la superficie o incluso se desprenda al vacío. Mediante el aislamiento de una sola molécula en la superficie, pudieron estudiar procesos dinámicos sin la interferencia de otras moléculas. Este material plano bidimensional se irradió luego con un haz de electrones de alta energía de hasta 80, 000 V, que es cientos de veces mayor que el voltaje que se encuentra en los enchufes eléctricos domésticos.

¿Qué le sucede a la molécula si se expone a un haz de electrones tan poderoso? Si la molécula sigue las reglas de los libros de texto de química orgánica clásica, la condición extrema obligaría al truxeno a perder sus hidrógenos mediante un proceso conocido como ciclodeshidrogenación, lo que hace que los átomos de carbono restantes dentro de la molécula se plieguen en una forma esférica (Figura 1). Pero si dominan las vías de alta energía, una descomposición impredecible, hasta la atomización completa de la molécula, sería el resultado.

Al correlacionar ampliamente las imágenes TEM reales con las de los modelos simulados (Figura 2), Los investigadores encontraron que la molécula de truxeno inicialmente experimenta una reacción de ciclodeshidrogenación controlada cinética y termodinámicamente. Las observaciones de TEM revelaron que la vía de reacción ocurre a través de intermedios clave favorecidos termodinámicamente a través de mecanismos de reacción orgánicos aparentemente clásicos. que fueron identificados y capturados en video. Por lo tanto, demostraron que el haz de electrones transfiere energía cinética a los núcleos y excita los estados vibracionales de la molécula, que le da a la molécula suficiente energía para sufrir reacciones químicas. En tono rimbombante, Se encontró que la sección transversal (probabilidad) de la vía química convencional es mayor que la de la escisión destructiva del enlace C-H.

Estos hallazgos describen por primera vez el análisis en tiempo real y en espacio real de una transformación discreta de molécula a molécula, capturado en video. Esta observación en el espacio real de una reacción química discreta es un hito en las ciencias químicas y conducirá a una comprensión más profunda de los procesos químicos fundamentales a nanoescala. La identificación de los intermedios clave también reveló nuevos conocimientos sobre las reacciones impulsadas por haces de electrones. Los investigadores planean explorar el alcance completo de la técnica SMART-EM aplicándola a sistemas más grandes, como el análisis de medios líquidos. Esto hará avanzar aún más la investigación en los campos que van desde la química de los nanomateriales hasta las ciencias biomédicas, donde la comprensión de las interacciones haz-materia es de suma importancia. Los conocimientos adquiridos en estos estudios también ayudarán a diseñar estrategias novedosas para sintetizar nanomateriales mediante la litografía por haz de electrones.