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La microscopía de fuerza atómica (AFM) ayuda a
los científicos a develar el orden y longitud de los enlaces existentes dentro
de las moléculas.
- Esta técnica puede utilizarse para estudiar los
futuros dispositivos fabricados con grafeno.
ZURICH/SANTIAGO DE
COMPOSTELA, Suiza/España – 25 de septiembre, 2012 - Científicos de IBM han podido diferenciar por
primera vez los enlaces químicos existentes en moléculas individuales
utilizando una técnica conocida como microscopía de fuerza atómica (AFM por sus
siglas en inglés).
Los resultados de este descubrimiento llevan más
lejos las investigaciones sobre la utilización de las moléculas y átomos a la
escala más reducida. Este descubrimiento podría ser importante para el estudio
de los dispositivos fabricados con grafeno. Actualmente se está estudiando la
aplicación de estos dispositivos en ámbitos como las comunicaciones
inalámbricas de banda ancha o las pantallas electrónicas.
“Hemos encontrado dos mecanismos de contraste
diferentes para distinguir los enlaces. El primero se basa en pequeñas
diferencias en la fuerza medida sobre los enlaces. Esperábamos este tipo de
contraste pero ha sido un reto el resolverlo”, afirmó el científico de IBM Leo
Gross. “El segundo mecanismo de contraste verdaderamente llegó por sorpresa:
los enlaces aparecieron con diferentes longitudes en las medidas del AFM. Con
la ayuda de cálculos computacionales encontramos que la inclinación de una
molécula de monóxido de carbono en el ápice de la punta de la sonda era la
causa del contraste”.
La investigación contó también con la
participación de científicos españoles del Centro de Investigación en Química
Biológica y Materiales Moleculares (CIQUS) de la Universidad de Santiago de
Compostela.
Como recoge la portada del número del 14 de
septiembre de la revista Science, los científicos de IBM visualizaron el orden
y longitud de enlaces individuales entre átomos de carbono en nanoestructuras
de fullerenos C60, también conocidas como buckyball
por su forma de balón de fútbol, y en dos hidrocarburos policíclicos aromáticos
(PAHs por sus siglas en inglés) planos, que se asemejan a pequeños copos de
grafeno. El Centro de Investigación en Química Biológica y Materiales
Moleculares (CIQUS) de la Universidad de Santiago de Compostela y el Centre National de la Recherche Scientitique
(CNRS) de Toulouse llevaron a cabo la síntesis de los PAHs.
Los enlaces individuales entre átomos de carbono
en estas moléculas difieren sutilmente en su fuerza y longitud. Todas las
propiedades químicas, electrónicas y ópticas de este tipo de moléculas están
relacionadas con las diferencias de los enlaces en los sistemas poliaromáticos.
Ahora, por primera vez, estas diferencias han podido ser observadas en
moléculas y enlaces individuales. Esto puede incrementar el conocimiento al
nivel de moléculas individuales, lo que es importante para las investigaciones
sobre nuevos dispositivos electrónicos, células solares orgánicas y diodos
orgánicos emisores de luz (OLEDs por sus siglas en inglés).
En particular, mediante esta técnica podría
observarse la relajación de los enlaces alrededor de los defectos en el
grafeno, o los cambios que experimentan los enlaces en las reacciones químicas
y en estados excitados Como se explica en su investigación anterior (Science
2009, 325, 1110), los científicos de IBM utilizaron un microscopio de fuerza
atómica (AFM) con una punta de sonda que termina con una única molécula de monóxido
de carbono (CO).
La punta de la sonda oscila con una pequeña
amplitud sobre la muestra, con el objeto de medir las fuerzas entre la punta y
la muestra, que podría ser una molécula, para crear una imagen. La molécula de
CO en la terminación de la punta actúa como una potente lupa para revelar la
estructura atómica de la molécula, incluyendo sus enlaces. Esto ha hecho
posible distinguir enlaces individuales que difieren solamente en 3 picometros
(3 x 10 -12 metros), que es aproximadamente la centésima parte del diámetro de
un átomo.
En investigaciones anteriores el equipo tuvo
éxito logrando imágenes de la estructura química de moléculas individuales,
pero no lograron hasta ahora la imagen de las sutiles diferencias entre los
enlaces. Lograr discriminar el orden de los enlaces está próximo al límite
actual de resolución de la técnica. A menudo otros efectos ocultan el contraste
relativo al orden de los enlaces. Por eso, los científicos tuvieron que
seleccionar y sintetizar moléculas en las que se pudiera eliminar cualquier
efecto perturbador.
Para corroborar los resultados experimentales y
adquirir una mayor comprensión de la naturaleza exacta de los mecanismos de
contraste, el equipo desarrolló cálculos mediante la teoría del funcional de la
densidad (DFT). De ese modo, calcularon la inclinación de la molécula de CO en
el ápice de la punta de la sonda, lo cual ocurre en el proceso de visualización
de la muestra.
Los científicos encontraron cómo esta
inclinación resulta en una amplificación de las imágenes de los enlaces. Esta
investigación ha sido financiada dentro del marco de varios proyectos europeos
como ARTIST, HERODOT, CEMAS y por el Ministerio de Economía y Competitividad
del Gobierno de España y por la Xunta de Galicia.
El artículo científico se titula “Discriminación
del orden de enlace mediante Microscopía de Fuerza Atómica” (Bond-Order
Discrimination by Atomic Force Microscopy”, realizado por L. Gross, F. Mohn, N.
Moll, B. Schuler, A. Criado, E. Guitián, D. Peña, A. Gourdon y G. Meyer, y se
publica en la revista Science (14 de septiembre de 2012).
IBM y la nanotecnología
La ciencia lleva años esforzándose en
“visualizar” y manipular átomos y moléculas con el objetivo de tener un mayor
conocimiento y ser capaz de fabricar a escala nanométrica. IBM ha sido pionera
en el ámbito de la nanociencia y la nanotecnología con el desarrollo del
microscopio de efecto túnel (STM) en 1981 a cargo de Gerd Binnning y Heinrich
Rohrer, científicos del laboratorio de Zurich de IBM. Por realizar este
invento, que hizo posible la visualización de átomos individuales y más tarde
su manipulación, Binning y Rohrer, obtuvieron en 1986 el Premio Nobel de la
Física.
El AFM, sucesor del microscopio de efecto túnel,
fue inventado por Binning en 1986. El STM está reconocido como el instrumento
que abrió las puertas al mundo nano. En 2011, IBM inauguró en el campus de su
laboratorio de Zurich el Centro de Nanotecnología Binning and Rohrer, que forma
parte de una asociación estratégica en materia de nanotecnología con ETH
Zurich, una de las mejores universidades técnicas de Europa. Más información
sobre los hitos de IBM en nanotecnología durante los últimos 30 años en este
enlace.
Acerca de IBM
Para más información sobre
IBM, visite www.ibm.com.mx
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