Mientras escribo en este blog,
estoy sentado delante del ordenador con una taza de café y buscando imágenes de
moléculas para poner en una presentación que he de hacer dentro de poco. Todas
esas imágenes son dibujos, en su mayor parte, bolas unidas a otras bolas
mediante unas varillas, y en donde cada tipo de átomo se relaciona con un
color. En otros casos, las moléculas se representan en un dibujo plano, como
los que aparecen en mis apuntes de orgánica…hasta que he llegado a una foto
que, desde la primera vez que la vi, sentí que ese pequeño químico que llevo
dentro cumplió un sueño: ver una molécula de verdad.
Fig 1. Representaciones usuales de moléculas en química. A la izquierda,
representación en el plano de un derivado del anhídrido maléico obtenido
mediante la reacción de Diels-Alder, una de las reacciones más bonitas en
química. A la derecha, representación en 3D mediante el modelo de bolas y
varillas del cubano, un reto sintético.
Desde que Lavoisier, allá por el
siglo XVIII, empezase a sentar las bases de una ciencia tan bonita como la
química, los químicos siempre han tenido curiosidad de saber realmente qué es
lo que estudian. Yo mismo, desde que empecé a entrar en contacto con el mundo
de los átomos y las moléculas en las clases de física y química del instituto,
quise saber cómo eran realmente esas pequeñas cosas que forman la materia,
quería ver las moléculas tal como
son en realidad.
Una vez llegué a la carrera,
aprendí que hay una parte de la química que utiliza las herramientas de la
Física y el lenguaje de las Matemáticas para describir los procesos químicos,
la Química Física, lo que, paradójicamente, hace que sea una parte de la
Ciencia realmente hermosa y odiada por estudiantes de todas las facultades de
ciencias en el mundo. Esta parte de la química me enseñó lo que para mí es la
parte más filosófica de la química. Desde el advenimiento de la Mecánica Cuántica
a principios del siglo XX, el concepto de que lo más profundo de la materia se
comporta de manera probabilística, aparte de resultar un desafío intelectual,
supone una paradoja filosófica importante. Dejando de lado esta faceta de la
Ciencia, la Mecánica Cuántica nos permite describir las moléculas en base a la
naturaleza de su distribución electrónica, energías, enlace…lo cual permite
llegar a las bases de la Termodinámica y la Cinética Químicas utilizando la
Termodinámica Estadística como puente.
Entre los grandes logros de la
Mecánica Cuántica, se encuentra la descripción del efecto túnel. Sin entrar en
mucho detalle, pues esto daría para una sola entrada en el blog, el efecto
túnel se basa en una propiedad fascinante de las partículas subatómicas…y
atómicas si se trata de un átomo de hidrógeno. Imaginaos que vais por la calle,
y de repente hay un muro delante de vosotros. Sin ninguna preocupación, seguís
andando y lo atravesáis. ¿Os resulta extraño? Pues esto ocurre constantemente
en el mundo cuántico, en donde las partículas están atravesando muros de
tamaños muy diversos. Para explicar este concepto, hay que saber que en el
mundo cuántico, las partículas están definidas por una función de onda, es decir,
se comportan como ondas. Esa función define cual es la probabilidad de
encontrar una partícula en un punto del espacio. En el caso del efecto túnel,
lo que ocurre es que cuando llega la partícula (onda) a uno de los extremos del
muro, la probabilidad de encontrar a la partícula más allá del muro no es cero,
por tanto podremos encontrar a esa partícula detrás de ese muro. Por cierto, si
queréis que sea más riguroso cambiad la palabra muro por potencial. En la siguiente imagen podréis verlo
gráficamente.
Fig 2. Representación del efecto túnel. Para entenderla, imaginad que
la partícula viene descrita por la función de onda roja, que viene desde la
izquierda de la región I. Cuando llega al “muro”, en vez de rebotar lo
atraviesa, llegando a la región II, en donde se observa que la probabilidad de
encontar a la partícula es menor, pero no cero. Imagen tomada de las
diapositivas del profesor que tuve en Química Física II, desde aquí, mi
agradecimiento por haber hecho que tenga más pasión por lo que estudio.
El desarrollo de técnicas
experimentales basadas en la Mecánica Cuántica, con inspiración de las técnicas
ya existentes, permitieron obtener aparatos realmente sorprendentes que nos
permiten ver moléculas.
Uno de los más sofisticados es el
Microscopio de Efecto Túnel o de barrido (STM por sus siglas en inglés), cuya
base es la que os he comentado antes. Fue inventado por Binning y Rohrer en
1981, y se basa en una punta muy fina que va barriendo la muestra a analizar.
En este proceso, la punta actúa como “muro” y los electrones que componen las
sustancias de la muestra son los que sufren el efecto túnel. De este modo,
cuando la punta va pasando por la muestra es sometida a una diferencia de
potencial y los electrones pasan de la muestra a la punta del detector por
efecto túnel. Este comportamiento es registrado y permite obtener una imagen en
3D de la la muestra analizada a escala atómica y nanométrica.
Fig 3. Esquema del Microscopio de Efecto Túnel.
Vídeo 1. Funcionamiento de un Microscopio de Efecto Túnel.
Algunas de las imágenes más
sorprendentes de esta técnicas las ha conseguido la empresa IBM. En su página web podéis ver algunas de estas imágenes, con la explicación de cómo se obtuvieron.
Yo os dejo dos aquí:
Fig 4. A la izquierda
la foto denominada “corral cuántico” formado por 48 átomos de hierro sobre
cobre. En esta imagen se observa la densidad eletrónica de dichos átomos, así
como estados cuánticos representados por las oscilaciones en rojo, lo que permitió
a los investigadores aproximarse al problema conocido en Mecánica Cuántica como
“el problema de la partícula en una caja”. A la derecha el logo de IBM formado
por átomos ordenados específicamente para formar dicho logo.
Esta técnica, desarrollada por el
IBM ha permitido obtener imágenes sorprendentes de los átomos. Mediante la
obtención de diferentes imágenes por STM de átomos colocados convenientemente
por los científicos se pudo filmar una
película, “El niño y su átomo”:
Vídeo 2. Película "El niño y su átomo".
Otro de los microscopios más
chulos es el Microscopio de Fuerza Atómica (AFM por sus siglas en inglés). Como
se puede ver en la figura 5, la base de esta técnica es la oscilación que sufre
un rayo láser que es reflejado por la
punta del microscopio. Dicha punta recorre la superficie de la muestra que se
quiere analizar. Como la superficie presenta rugosidad, la punta oscilará de
arriba abajo, con la consiguiente oscilación del rayo láser que, tras
reflejarse en dicha punta llega a un espejo que lo dirige a un detector que
interpreta los resultados. Con este aparatito, se han conseguido imágenes que,
bajo mi punto de vista, son fascinantes.
Fig 5. Esquema de un AFM. El cantilever
(punta) recorre la superficie. El láser se refleja en dicha punta y las
oscilaciones son detectadas para formar una imagen.
Vídeo 3. Funcionamiento de un AFM.
Algunas de las imágenes obtenidas
con este tipo de microscopía son:
Fig. 6. Primera reacción química obtenida mediante
AFM. En la imagen se observa el reactivo que, tras ser sometido a una
temperatura superior a 90 ºC experimenta una serie de reacciones de ciclación
para formar los productos. Imagen obtenida por la Universidad de Berkeley
(California) en colaboración con la del País Vasco, mayo de 2013, publicada en Science .
Fig. 7. Imagen obtenida en el centro Nacional de Nanociencia y Tecnología
de China. En la imagen se observa el
enlace de hidrógeno establecido entre los grupos eletroatrayentes (N y O) y los
H deficientes de carga negativa entre moléculas de 8-hidroxiquinolina.
Fig. 8. Imagen de dibenzonaftoperileno por AFM.
Fig. 9. En la primera columna, imágenes de una ftalocianina por AFM. En
la columna 2 análisis de la densidad de carga por métodos teóricos (DFT). En la
columna 3 podemos apreciar en color la distribución de carga de la molécula obtenida
mediante AFM con sonda Kelvin, una variante de la técnica que permite analizar
cómo está distribuida la carga electrónica en una molécula.
Fig. 10. Imagen de un fullereno a color obtenida mediante AFM.
Fig.11. Imagen de un fullereno C
60 (modelo teórico en A, diferentes imágenes del mismo por AFM, B-E) y la
distribución de carga y variación de la distancia de enlace entre átomos (imagen
F) al interaccionar la molécula con la punta del microscopio.
Fig. 12. Imagen de la molécula de pentaceno diseñada con un ordenador
(A). En (B) encontramos la imagen de la molécula obtenida por STM, mientras que
en (C) se obtuvo mediante AFM. En (D) encontramos la imagen de seis moléculas
de pentaceno obtenida mediante AFM.
Como veis, desde hace no muchos
años, hemos sido capaces de ir más allá, pasar de imaginar a ver, en
definitiva, hacer lo que hace un científico…hacer visible lo invisible haciendo
realidad los sueños de algún que otro personajillo.
Finalmente, agradecer a mis
amigas y futuras químicas, Patricia (@patrisawyer) y Carolina (@CarolIzquiero5),
el haberme inspirado para escribir este post, ¡gracias chicas!
¡Saludos!
Javier Corpas.
