Una nueva investigación muestra que un microscopio de túnel de exploración STM, utilizado para estudiar los cambios en la forma de una sola molécula a escala atómica, afecta la capacidad de esa molécula para realizar estos cambios. El estudio, que aparece esta semana en eldiario Comunicaciones de la naturaleza , demuestra que la posición de la punta del STM con respecto a la molécula cambia los requisitos de energía de la molécula para hacer cambios en la forma y, a su vez, cambia la entropía del sistema.
"La entropía a menudo se considera una medida de desorden o aleatoriedad, pero aquí se determina por la cantidad de formas que la molécula podría potencialmente tomar, así como por la cantidad de formas diferentes en que la molécula podría cumplir con los requisitos de energíapara cambiar su configuración ", dijo Eric Hudson, profesor asociado de física en Penn State y autor del artículo." Si la punta del STM aumenta la energía requerida por la molécula para cambiar su forma, también aumenta la entropíaen el sistema. En esencia, una transición requiere un número potencialmente grande de excitaciones de pequeña energía para coexistir para superar la barrera de energía para un cambio de configuración. Cuanto mayor sea el número de excitaciones requeridas, mayor será la forma en que esas excitaciones pueden serrecogido. Esta multiplicidad da lugar a la entropía. "
"Eso fue totalmente inesperado", dijo Hans Joseph Hug, profesor de física en EMPA, Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales y autor del artículo ". Significaba que la punta, que todavía está relativamente lejosde la molécula y de ninguna manera la toca, de alguna manera influye en la movilidad de la molécula ".
La velocidad a la que la molécula "salta" entre las formas y el número de formas diferentes posibles que la molécula puede tomar, una representación de la entropía de la molécula, cambia dependiendo de la distancia entre la punta del STM y la molécula"Esto significa que el instrumento que estamos usando está afectando el sistema que estamos tratando de estudiar", dijo Hudson. "Pero lo más importante, nos permite medir la entropía de la molécula y la relación fundamental entre la entropía y los requerimientos de energía de la molécula".hacer cambios conformacionales "
El equipo de investigación estaba interesado en comprender qué impulsa la capacidad de una molécula para hacer cambios en su forma, un requisito común de las reacciones químicas y los procesos biológicos. Usaron un STM, que consiste en un cable extremadamente fino con una punta afilada que puedeposicionarse con precisión subatómica, para observar cambios en la forma de una molécula única de dibutil-sufide, un largo hidrocarburo con un átomo de azufre central, unido a una superficie plana de oro. La corriente pasa entre la punta del STM y la superficiey cuando la punta escanea a través de la superficie, el STM detecta cambios en esa corriente a medida que pasa sobre la molécula. Estos cambios en la corriente se utilizan para producir una imagen de la molécula.
"A temperaturas extremadamente bajas, unos pocos grados por encima del cero absoluto -273 grados Celsius o cero grados Kelvin, la molécula se mueve muy lentamente y el STM captura casi una imagen fija de la molécula", dijo Hudson ".Pero a medida que aumentamos la temperatura incluso unos pocos grados, la molécula se mueve más rápido y la imagen del STM mostrará la molécula en más de una conformación. Es como tomar una fotografía de un objeto en movimiento con una velocidad de obturación lenta ".
El equipo de investigación utilizó el STM para observar los cambios en la forma de la molécula de sulfuro de dibutilo a temperaturas que oscilan entre 5 y 15 grados Kelvin para comprender los parámetros físicos que controlan la capacidad de la molécula para cambiar de forma. Hay dos parámetros físicosque normalmente se usan para describir qué tan libre es mover una molécula sobre una superficie: la energía de activación, la barrera de energía que tiene que superar para llevar a cabo el movimiento en cuestión; y la tasa de intento, con qué frecuencia la molécula intenta iniciar el movimientoSorprendentemente, notaron que la barrera de energía para la molécula cambiaba dependiendo de la posición de la punta del STM, incluso a las mismas temperaturas.
El equipo también observó que la tasa de intento de la molécula, que está relacionada con la entropía de la molécula, también se vio afectada por la posición del STM ". Esto implica que la energía y la entropía en este sistema están de alguna manera vinculadas en un elemento fundamentalnivel ", dijo Hug." Además, nuestros resultados implican que la entropía juega un papel decisivo para la dinámica de la molécula, incluso a temperaturas muy bajas, donde el grado de libertad de una molécula y, por lo tanto, su entropía "configuracional", generalmente se reducen significativamente yse considera que la entropía solo juega un papel menor "
"En nuestro estudio del sulfuro de dibutilo, la observación fascinante es que elevar el obstáculo para el cambio de forma de la molécula, la barrera de energía para el movimiento, le proporciona simultáneamente un mayor número de vías para superarlo, un aumentoen entropía ", dijo el físico EMPA Miguel A. Marioni, autor del artículo." Estos hallazgos implican que nuestro STM casero es una herramienta perfecta para estudiar la entropía de una sola molécula con gran detalle ".
"Para mí, lo más genial es que la entropía es algo fundamental de lo que todos aprendemos en la escuela, pero nunca es algo que se mida", dijo Hudson. "Cuando vas al laboratorio, de alguna manera desaparece,así que el hecho de que pudimos medirlo y que las fuerzas entrópicas son comparables a las fuerzas que normalmente medimos fue simplemente alucinante "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Estado Penn . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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