Científicos del Instituto de Química Orgánica y Bioquímica de Praga, el Instituto de Física de la Academia Checa de Ciencias y la Universidad Palacký de Olomouc han vuelto a descubrir con éxito los misterios del mundo de las moléculas y los átomos.

Han confirmado experimentalmente la exactitud de una teoría de décadas de antigüedad que suponía una distribución no uniforme de la densidad de electrones en las moléculas aromáticas. Este fenómeno afecta significativamente las propiedades fisicoquímicas de las moléculas y sus interacciones. Esta investigación amplía las posibilidades para diseñar nuevos nanomateriales y es el tema de un artículo publicado en Nature Communications. .

El mismo equipo de autores en su estudio anterior publicado en Science describió la distribución no uniforme de los electrones en un átomo, el llamado agujero σ.

Ahora los investigadores han confirmado la existencia del llamado agujero π. En los hidrocarburos aromáticos encontramos electrones en las nubes por encima y por debajo del plano de los átomos de carbono. Si reemplazamos los hidrógenos periféricos con átomos más electronegativos o grupos de átomos que alejan los electrones, las nubes originalmente cargadas negativamente se convierten en agujeros de electrones cargados positivamente.

Los científicos han adoptado el método avanzado de microscopía electrónica de barrido y han ampliado aún más sus capacidades. El método funciona con resolución subatómica y, por lo tanto, puede obtener imágenes no solo de átomos en moléculas sino también de la estructura de la capa electrónica de un átomo.

Como señala uno de los investigadores Bruno de la Torre del Instituto Checo de Investigación y Tecnología Avanzada (CATRIN) de la Universidad Palacký de Olomouc, el éxito del experimento aquí descrito se debe principalmente a las excelentes instalaciones de su institución de origen y a la participación de excelente Ph.D. estudiantes.

"Gracias a nuestra experiencia previa con la técnica Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM), hemos podido perfeccionar nuestras mediciones y adquirir conjuntos de datos muy completos que nos han ayudado a profundizar nuestra comprensión no sólo de cómo se distribuye la carga en las moléculas sino también de qué observables se obtienen con la técnica", afirma Bruno de la Torre.

La microscopía de fuerza moderna ha sido durante mucho tiempo dominio de los investigadores del Instituto de Física. No sólo en el caso de las estructuras moleculares se ha aprovechado al máximo la resolución espacial sin precedentes. Hace algún tiempo confirmaron la existencia de una distribución no uniforme de la densidad electrónica alrededor de los átomos de halógeno, los llamados agujeros σ.

Este logro fue publicado en 2021 por Ciencia . Tanto en la investigación anterior como en la actual, uno de los científicos checos más citados de la actualidad, el Prof. Pavel Hobza, del Instituto de Química Orgánica y Bioquímica de la Academia Checa de Ciencias (IOCB Praga), contribuyó significativamente a la investigación anterior.

"La confirmación de la existencia del agujero π, así como del agujero σ anterior, demuestra plenamente la calidad de las predicciones teóricas de la química cuántica, que han explicado ambos fenómenos durante décadas. Demuestra que pueden ser fiables incluso en ausencia de experimentos disponibles", afirma Pavel Hobza.

Los resultados de las investigaciones de los científicos checos a nivel subatómico y submolecular se pueden comparar con el descubrimiento de los agujeros negros cósmicos. También se habían teorizado durante décadas antes de que los experimentos confirmaran su existencia.

Un mejor conocimiento de la distribución de la carga de los electrones ayudará a la comunidad científica a comprender muchos procesos químicos y biológicos en primer lugar. A nivel práctico, se traducirá en la capacidad de construir nuevas supramoléculas y, posteriormente, en el desarrollo de nanomateriales avanzados con propiedades mejoradas.

Más información: B. Mallada et al, Visualización del agujero π en moléculas mediante microscopía de fuerza con sonda Kelvin, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40593-3

Información de la revista: Comunicaciones sobre la naturaleza , Ciencia

Proporcionado por Instituto de Química Orgánica y Bioquímica del CAS