Todo el mundo sabe la fuerza que se requiere para activar un interruptor de luz en una pared; un dedo es suficiente. Pero, ¿cuánta fuerza se necesita aplicar si el dispositivo se redujo drásticamente al "mundo a nanoescala", es decir, cómo¿Cuánta fuerza necesita para operar un "interruptor de molécula única"? Esta pregunta fundamental está relacionada no solo con la ciencia básica sino también con posibles aplicaciones futuras de dispositivos moleculares.
Investigadores del Centro Internacional de Física de Donostia, San Sebastián País Vasco, España, Instituto Fritz-Haber de la Sociedad Max Planck, Berlín Alemania, Universidad de Liverpool, Reino Unido y Academia de Ciencias de Polonia, Varsovia Poloniahan logrado activar de manera controlada un "interruptor de molécula única" por la fuerza de la aguja atómicamente afilada de un microscopio de sonda de barrido de última generación.
El estudio experimental y teórico, publicado hoy en la revista Química de la naturaleza , demuestra que una transferencia intramolecular de átomos de hidrógeno puede activarse en una molécula orgánica adecuada adsorbida en una superficie al acercar suficientemente la punta metálica afilada. La reacción, llamada tautomerización, es importante en química orgánica y biología molecular y también es un fenómeno interesantepara dispositivos electrónicos moleculares.
Los investigadores no solo pudieron cuantificar la fuerza necesaria para operar su pequeño interruptor, una molécula de pórfido sobre una superficie de cobre, sino que también revelaron que el cambio solo puede ser inducido en posiciones muy específicas de la punta sobre la molécula, con un espacioresolución de una fracción de una longitud de enlace químico, es decir, aproximadamente 0.00000002 milímetros. Además, demostraron la importancia de la "reactividad química" del ápice de la punta en el proceso inducido por la fuerza, ya que la molécula no puede cambiarse cuando el ápice de la aguja estádecorado por un solo átomo de xenón, un elemento inerte que carece de la reactividad química requerida.
Takashi Kumagai en FHI-MPG, quien concibió este estudio, construyó la configuración experimental en la que una aguja oscilante de una fuerza atómica combinada y un microscopio de túnel de exploración se aborda a unas pocas distancias atómicas de la molécula. El cambio se mostró como una característicacaracterística en los cambios de frecuencia al acercarse a la punta y también fue confirmado por cambios en las imágenes a escala atómica al escanear simultáneamente la punta sobre la molécula. Se midió que la fuerza requerida era aproximadamente un nano-Newton, que es un poco menosque la fuerza necesaria para romper un enlace covalente típico entre dos átomos.
El equipo de investigación también realizó simulaciones informáticas exhaustivas para dilucidar el mecanismo atomista detrás de la conmutación inducida por la fuerza. Las simulaciones reprodujeron con éxito los resultados experimentales y proporcionaron una descripción atomística sobre el funcionamiento del interruptor de molécula única. Thomas Frederiksen, Ikerbasque ResearchProfesor en el Centro Internacional de Física de Donostia DIPC - UPV / EHU explica que "nuestros cálculos revelaron que la tautomerización, que es el cambio, ocurre por una reducción de su barrera de activación de energía al acercarse una punta metálica. Sin embargo, el comportamiento dramáticamentecambia con una punta terminada en xenón y no se puede inducir tautomerización debido a su inercia y suavidad ".
Los investigadores enfatizan que la reacción inducida por la fuerza estudiada que involucra cambios en la vía de reacción se asemeja a un paso elemental en los procesos catalíticos. Por lo tanto, sus resultados también proporcionan una estrategia novedosa para obtener una visión atomística más profunda de las reacciones catalíticas, lo que lleva a un nuevo controlde química a nivel atómico.
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Materiales proporcionado por Universidad del País Vasco . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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