Un sueño hecho realidad

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.