Al enfocar la luz al tamaño de un átomo, los científicos de la Universidad de California en Irvine han producido las primeras imágenes de los modos normales de vibración de una molécula: los movimientos internos que impulsan la química de todas las cosas, incluida la función deCélulas vivas.
En un estudio publicado hoy en Naturaleza , los investigadores del Centro de Química de la UCI en el Límite espacio-tiempo describen cómo colocaron la punta plateada con terminación atómica de un microscopio de túnel de escaneo a apenas ängstroms de su objetivo: una molécula de porfirina a base de cobalto fijada a una plataforma de cobre. Las porfirinas sonde importancia biológica por su papel en la respiración y la fotosíntesis.
Al presionar a la molécula con la luz confinada en el átomo de plata, el equipo profundizó en el régimen cuántico entre los átomos de la molécula, convirtiéndose en el primero en registrar los espectros vibratorios y observar cómo se rigen las cargas y las corrientes que mantienen unidos a los átomos en enlaces.por las vibraciones moleculares.
"Desde los cambios estructurales en la química hasta la señalización molecular, todos los procesos dinámicos en la vida tienen que ver con las vibraciones moleculares, sin las cuales todo se congelaría", dijo el coautor V. Ara Apkarian, director de CaSTL y profesor distinguido de química de la UCI."Hace tiempo que somos conscientes de estas vibraciones. Durante años, hemos estado midiendo sus frecuencias a través de la espectroscopia, pero solo ahora hemos podido ver qué se mueve y cómo".
El coautor Joonhee Lee, científico investigador de CaSTL, agregó: "Hasta la fecha, las vibraciones moleculares se han explicado gráficamente usando bolas que se mueven y resortes de conexión para representar átomos y enlaces, respectivamente. Ahora podemos visualizar directamente cómo vibran los átomos individuales dentro de una molécula. Las imágenes que proporcionamos aparecerán en los libros de texto para ayudar a los estudiantes a comprender mejor el concepto de modos vibracionales normales, que hasta ahora había sido un concepto teórico ".
Para lograr la resolución atómica, los investigadores de CaSTL configuraron su experimento en un entorno de extremadamente alto vacío y baja temperatura 6 kelvins para eliminar todos los movimientos externos y colocaron su sonda de un solo átomo cerca de la molécula objetivo, a una distancia inferior adel tamaño de un átomo. Las lentes de vidrio no funcionarían en este tipo de microscopía, en la que las características se resuelven en una escala que es mil veces más pequeña que la longitud de onda de la luz.
"El límite de lo que se puede ver en la microscopía estándar es la mitad de la longitud de onda de la luz, que es del orden de media micra, de la cual el microscopio deriva su nombre", dijo Apkarian. "El microscopio óptico revolucionó la biología celular porquea través de él puedes observar lo que sucede dentro de una célula, pero una molécula es una milésima parte del tamaño de una célula "
En su experimento, el equipo empujó y empujó la molécula a base de cobalto con un átomo de plata que fue eliminado con luz láser, arriesgando la agitación del objetivo. Los científicos de CaSTL mitigaron esta posibilidad congelando la muestra en un sustrato de cobre. La molécula se aplanóal unirse al cobre, exponiéndose al acercamiento de la punta del microscopio de túnel de exploración.
Al mover la punta plateada hacia arriba y hacia abajo en relación con la muestra para mantener una distancia de aproximadamente 2 ängstroms 1 ängstrom equivale a una diezmillonésima parte de un metro, los investigadores pudieron registrar diferencias en las frecuencias en varias posiciones dentro desostienen que la increíble resolución proviene de la tunelización mecánica cuántica de los plasmones electrones que interactúan con la luz, contrarrestando la idea de que la tunelización disminuiría el campo eléctrico necesario para excitar la molécula.
"Ahora tenemos un microscopio que puede resolver átomos, y lo estamos usando para mirar dentro de las moléculas, lo que era impensable hace solo unos años", dijo Apkarian. "La resolución espacial de la microscopía óptica ha sido avanzada por otra muesca, y lo que estamos viendo a esta escala es realmente sorprendente "
A continuación, los científicos de CaSTL refinarán aún más sus mediciones de campos eléctricos dentro de las moléculas, trabajarán para detectar dónde faltan átomos en las estructuras moleculares y utilizarán principios de interferencia cuántica para caracterizar detalles aún más finos.
"Este equipo apoyado por la National Science Foundation alcanzó un hito importante al superar las barreras imposibles para desarrollar un nuevo instrumento para 'ver' los átomos individuales de una molécula en tiempo y espacio reales", dijo Kelsey Cook, directora del programa de química de NSF ".Esta invención conducirá a una comprensión transformadora sin precedentes de cómo reaccionan las moléculas y funcionan las células ".
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Materiales proporcionado por Universidad de California - Irvine . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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