El avance abre camino al diseño de novedosas máquinas moleculares.
Científicos de IBM Research y el centro CiQUS han logrado crear y romper enlaces entre los átomos de una molécula, mediante pulsos de voltaje aplicados con la punta de un microscopio, propiciando cambios selectivos en su estructura molecular.
Los investigadores han hallado un método que permite transformar un isómero estructural en otro, reconectando sus enlaces a voluntad en función de un estímulo externo: distintos pulsos de voltaje aplicados con la punta de un microscopio de sonda de barrido (STM).
En las moléculas, los átomos están unidos mediante enlaces formando una estructura tridimensional de tamaño nanométrico. Algunas pueden tener un mismo número y tipo de átomos, pero presentar sus enlaces de formas diferentes. Estos compuestos se denominan isómeros estructurales y aportan una variabilidad al mundo molecular.
Cabe resaltar que han actuado sobre una molécula formada por cuatro anillos de carbono depositada sobre una superficie salina, induciendo cambios muy precisos en su estructura asociados a reacciones de oxidación o reducción.
Al respecto, Diego Peña, investigador principal y coautor del estudio, (CiQUS-USC), señala que, “desde el siglo XIX los químicos intentamos cambiar la conectividad entre los átomos en las moléculas para obtener nuevas funcionalidades, pero la novedad es que ahora lo podemos hacer de forma muy precisa y sobre moléculas individuales, como si dispusiésemos de pinzas nanométricas”.
También, afirma que “estos procesos redox, a su vez, originan la formación de unos u otros enlaces carbono-carbono en la molécula que estudiamos, pero debo decir que hubo algo de serendipia en el proceso, ya que queríamos provocar un tipo de reagrupamiento molecular y encontramos otros todavía más interesantes, y sobre todo, controlado. Sin duda valdría para otro tipo de reacciones, e incluso para descubrir nuevas transformaciones químicas”.
Por lo anterior, para aplicar los pulsos de voltaje con el microscopio STM, los investigadores estudian la electrónica de las moléculas, aunque para visualizar sus enlaces (el esqueleto) emplean la microscopía de fuerza atómica (AFM) de alta resolución.
“No solo controlamos qué enlaces se forman, además lo hacemos de forma reversible, podemos cambiar una y otra vez entre las distintas estructuras de forma repetida”, destaca Leo Gross, investigador de IBM y coautor del estudio, quien añade: “La formación selectiva y reversible de enlaces puede favorecer la creación de nuevas máquinas moleculares con funciones y tareas más complejas”.
Máquinas moleculares
Las máquinas moleculares son moléculas que pueden llevar a cabo una determinada tarea en respuesta a un estímulo externo. Inclusive el propio organismo alberga un amplio número de máquinas moleculares con funciones vitales como la replicación del ADN.
La posibilidad de crear y romper enlaces dentro de una molécula individual supone el control deliberado sobre su estructura, lo que, a su vez, constituye la base de estas máquinas. “Hasta ahora las máquinas moleculares artificiales se basaban principalmente en inducir cambios en la distribución espacial de los átomos mediante estímulos externos, al añadir el control sobre la conectividad entre los átomos, podemos abordar la fabricación de diseños más complejos” explica Peña.
“La formación selectiva y reversible de enlaces puede favorecer la creación de nuevas máquinas moleculares con funciones y tareas más complejas”, destacó Leo Gross (IBM Research).
“Es realmente un trabajo básico, donde demostramos el control sobre moléculas individuales mediante estímulos externos, cómo ensamblar átomos a demanda, algo que hasta ahora no se había conseguido. Aunque si tuviera que elegir una aplicación potencial, diría el desarrollo de máquinas moleculares que catalicen transformaciones químicas, imitando la función de las enzimas en los organismos” añadió.
Nuevos estímulos con luz o electrones
El equipo de Leo Gross trabaja en el marco de un proyecto europeo centrado en la manipulación de moléculas individuales (MolDAM - ERC SyG). Los investigadores prevén seguir avanzando sobre este conocimiento, y entre sus próximos pasos contemplan la posibilidad de que las reacciones sean desencadenadas mediante luz o transfiriendo electrones entre las distintas partes de una misma molécula, en vez de hacerlo mediante la punta de un microscopio STM.
“El objetivo es controlar el mundo molecular con diferentes estímulos, incluso combinarlos en un futuro para conseguir funcionalidades más complejas”, puntualizó.
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