Visión e investigación individual de moléculas en el DIPC
Investigadores del Donostia International Physics Center y del Centro de Física de Materiales han conseguido ver, representar y analizar moléculas de forma individual. En dos estudios se han obtenido imágenes de moléculas únicas utilizando diferentes técnicas y partiendo de diferentes puntos de partida. Ambas investigaciones han sido publicadas recientemente en las revistas Nature y Science.
En la investigación publicada por la revista Science se han podido comprobar directamente los cambios que sufre una molécula en una reacción química, es decir, los procesos de ruptura y formación de enlaces entre los átomos que la forman. Los investigadores de la Universidad de California en Berkeley y de San Sebastián han realizado esta investigación conjuntamente.
En concreto, han adoptado imágenes de alta resolución de un oligo-enediyne (molécula simple formada por tres anillos de benceno unidos por átomos de carbono) sobre una superficie plana de plata. La técnica utilizada ha sido el microscopio de fuerza atómica sin contacto (nc-AFM). Este microscopio, con una aguja muy fina en su extremo, es capaz de detectar incluso las protuberancias más pequeñas a escala atómica, como se pueden leer palabras escritas en braille con yemas de los dedos.
Para detectar protuberancias de esta escala, el microscopio consta de una única molécula de monóxido de carbono (CO) en la punta de la aguja. “El átomo de carbono se une a la punta del microscopio y el átomo de oxígeno se convierte en sensor”, explica Dimas Oteyza, primer autor del artículo e investigador de CFM. Es un sensor muy apropiado porque “por un lado es pequeño y por otro, es inerte, estable, es decir, podemos acercarnos mucho a la molécula en estudio sin miedo a reaccionar con el átomo de oxígeno”, ha continuado Oteyza. El átomo vibra según lo que tiene debajo, y han podido saber en función de la frecuencia de vibración si lo que tiene debajo es un átomo o si el enlace entre los átomos es covalente, así como el tipo de enlace covalente, es decir, si es simple, doble o triple.
A Oteyza le parece “fascinante” poder ver de primera mano las moléculas, y ha señalado que ha sido especial, entre otras cosas, porque en época de estudiante nos las han dibujado a todos en la pizarra. Pues ahora hemos podido ver aquello que hemos dibujado”. De cara a los investigadores, también lo ve como una herramienta para comprender mejor las reacciones químicas y ayudar en la identificación molecular. “Es una ventaja de la capacidad de trabajo molecular”, afirma.
La luz mira al interior de una molécula
En la otra investigación se ha alcanzado el mayor nivel de resolución logrado hasta el momento con luz. La dirección de la investigación ha corrido a cargo de investigadores de la Universidad China de Ciencia y Tecnología (USTC), en la que ha participado el investigador de CFM y DIPC Javier Aizpurua.
La combinación de microscopía de efecto túnel y espectroscopía Raman ha permitido representar una sola molécula de escala inferior a 1 nm. “En un principio no esperábamos conseguir tal resolución”, reconoce el investigador del DIPC Javier Aizpurua. De hecho, con la luz en sí misma, debido al límite de difracción, no es posible separar objetos menores de 200 nm. “La espectroscopia Raman es una tecnología muy especial que permitió separar objetos de hasta 10 nm. Nosotros, sin embargo, hemos mejorado en diez ocasiones este nivel de resolución”.
Han tenido que trabajar en condiciones muy especiales para conseguir una resolución de 1 nm: El microscopio de efecto túnel se ha instalado en condiciones de vacío ultrarrápido y a baja temperatura, combinándolo con la gran espectroscopia superficial Raman. “La suma de ambos produce un efecto no lineal del que volvemos a recibir una señal en tan alta resolución”, explica Aizpurua. En resumen, la luz en lugar de golpear directamente contra el objeto, golpea contra la punta del microscopio y produce una vibración en la molécula que tiene debajo. Pues bien, al sincronizar esta vibración con la vibración de los electrones extremos del microscopio se puede obtener una señal óptica con una resolución inferior a un nanómetro.
Este nivel de resolución sólo ha sido posible hasta la fecha mediante el uso de electrones como sonda. “Sin embargo, con la técnica actual, además de la imagen de alta resolución, podemos saber qué moléculas estamos representando. Y es que las moléculas, debido a su estructura química, vibra de una u otra manera”, explica Aizpurua.
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