La absorción de luz inicia muchos procesos químicos naturales y artificiales, por ejemplo, la fotosíntesis en las plantas, la visión humana o incluso la impresión 3D. Hasta ahora, parecía imposible controlar una reacción química impulsada por la luz a escala atómica, donde solo se aborda una parte específica de una molécula.
Nuestro equipo internacional de científicos ha encontrado una solución a ese problema utilizando la concentración de luz en un volumen de escala atómica en el vértice de una punta metálica. Pudimos inducir el cambio de dos átomos de hidrógeno en una molécula, un proceso llamado tautomerización, y controlar la velocidad de la reacción y su resultado al iluminar diferentes partes de la molécula.
Nuestra investigación se publica en la revista Nature Nanotechnology. . En el futuro, esta estrategia podría utilizarse para sintetizar nuevos compuestos químicos con propiedades controladas con precisión atómica.
La visión comienza con moléculas de la retina que absorben la luz que llega al ojo. La energía recolectada de los fotones se almacena durante un tiempo muy corto en la molécula y puede usarse para iniciar una reacción química, en este caso, isomerización, un cambio en la configuración de los átomos y los enlaces.
Los compuestos circundantes detectan esta modificación de la forma de la retina, lo que conduce a una cascada de eventos que finalmente detecta nuestro cerebro. Otras reacciones químicas inducidas por la luz son importantes en mecanismos como la fotosíntesis en las plantas o la fotopolimerización utilizada tanto en la industria de los semiconductores para el grabado como para la impresión 3D.
Aunque las fotorreacciones desempeñan un papel determinante tanto en la naturaleza como en la industria, estudiar y controlar tales transformaciones químicas en la unidad más básica, es decir, una sola molécula que interactúa con la luz, es extremadamente difícil.
En el caso habitual, la luz interactuará con muchas moléculas al mismo tiempo porque las longitudes de onda de los fotones visibles (400 a 800 nm) son dos órdenes de magnitud mayores que el tamaño de una molécula ópticamente activa habitual (1 a 4 nm). La microscopía óptica típica no es suficiente para lograr tal precisión al investigar la interacción entre la luz y la materia.
Superar este problema y poder jugar con una reacción fotoquímica con precisión subnanométrica era el objetivo de nuestro equipo internacional con sede en Francia, Chequia y Alemania.
Abordamos este problema utilizando la capacidad de puntas muy afiladas de microscopía de efecto túnel (STM), con un solo átomo en su vértice, para concentrar la luz láser hasta la escala subnanométrica. Estas puntas metálicas actúan de manera similar a las antenas de radiofrecuencia habituales, excepto que funcionan en frecuencias ópticas del espectro electromagnético.
Nos beneficiamos de este efecto y lo utilizamos para impulsar una reacción fotoquímica, que estudiamos no sólo en una sola molécula sino también en una subparte de esa molécula. Al mover la punta del STM, podemos mover con precisión el punto de luz subnanómetro a diferentes posiciones sobre la molécula y observar cómo esto influye en la velocidad de reacción.
Esta precisión es posible porque nuestro STM funciona en vacío ultraalto, lo que mantiene nuestro sistema libre de cualquier contaminación, y en temperaturas muy bajas (casi -270°C), para que las moléculas no se muevan en la superficie.
Estudiamos una reacción llamada tautomerización, una forma especial de isomerización en la que los átomos de hidrógeno cambian de posición. En el núcleo de una molécula de ftalocianina, que utilizamos en nuestro estudio, dos hidrógenos se tautomerizan al unísono (ver las flechas en la figura anterior).
Controlamos la frecuencia con la que estos átomos cambian moviendo la punta sobre diferentes partes de la molécula (ver la animación) y cambiando el color de la luz que usamos para la iluminación. Incluso podemos detectar la luz emitida por nuestra ftalocianina, lo que nos permite obtener imágenes ópticas de la molécula con precisión a escala atómica y aprender más sobre los mecanismos de tautomerización.
Nuestro enfoque de fotoquímica a escala atómica es muy prometedor para el futuro. Uno puede imaginarse fácilmente el uso de esta estrategia para sintetizar moléculas que de otra manera no podrían obtenerse. Esto podría hacerse moviendo la punta que actúa como una fuente de luz a escala atómica para, por ejemplo, fotopolimerizar solo las subunidades moleculares seleccionadas una por una.
Esta historia es parte de Science X Dialog, donde los investigadores pueden informar los hallazgos de sus artículos de investigación publicados. Visite esta página para obtener información sobre ScienceX Dialog y cómo participar.
Más información: Anna Rosławska et al, Control de fototautomerización a escala submolecular, Nanotecnología natural (2024). DOI:10.1038/s41565-024-01622-4
Información de la revista: Nanotecnología de la naturaleza
La Dra. Anna Roslawska es líder de grupo de investigación en el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido en Stuttgart, Alemania.
