Los científicos son los primeros en observar la imagen de importantes vibraciones moleculares

Al centrar la luz en el tamaño de un átomo, los científicos de la Universidad de California, 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 de las células vivas.

Así es, en un estudio publicado en Nature, los investigadores del Centro de Química de la UCI en el Espacio-Tiempo Limitado describen cómo posicionaron la punta de plata terminada de forma atómica de un microscopio de exploración de túneles a meros ängstroms de su objetivo: una molécula de porfirina basada en cobalto fijada a un cobre plataforma. (Las porfirinas son de importancia biológica por su papel en la respiración y la fotosíntesis).

Procesando la molécula con la luz confinada en el átomo de plata, el equipo se adentró en el régimen cuántico entre los átomos que retumban de la molécula, convirtiéndose en el primero en registrar espectros vibracionales y observar cómo las cargas y las corrientes que mantienen unidos a los átomos en enlaces se rigen por las vibraciones moleculares.

"Desde los cambios estructurales en la química hasta la señalización molecular, todos los procesos dinámicos de la vida tienen que ver con las vibraciones moleculares, sin las cuales todos se congelarían", dijo el coautor V. Ara Apkarian, director de CaSTL y Profesor Distinguido de Química de la UCI. "Hace mucho tiempo que somos conscientes de estas vibraciones. Durante siglos, hemos estado midiendo sus frecuencias a través de la espectroscopia, pero solo ahora hemos podido ver qué se está moviendo y cómo".

El coautor Joonhee Lee, científico investigador de CaSTL, agregó: "Hasta la fecha, las vibraciones moleculares se han explicado gráficamente utilizando bolas onduladas 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 una resolución atómica, los investigadores de CaSTL configuraron su experimento en un entorno de 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 menor que el tamaño de un átomo. Las lentes de vidrio no funcionarían en este tipo de microscopía, en la cual 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 la mitad de una micra, de la que el microscopio deriva su nombre", dijo Apkarian. "El microscopio óptico revolucionó la biología celular porque a través de ella se puede observar lo que está sucediendo dentro de una célula, pero una molécula es una milésima del tamaño de una célula".

En su experimento, el equipo golpeó y pinchó la molécula a base de cobalto con un átomo de plata que se disparó con luz láser, con el riesgo de agitar el objetivo. Los científicos de CaSTL mitigaron esta posibilidad congelando la muestra en un sustrato de cobre. La molécula se aplanó al unirse al cobre, exponiéndose a la aproximación cercana de la punta del microscopio de exploración de túneles.

Al mover la punta de plata hacia arriba y hacia abajo en relación con la muestra para mantener una distancia de aproximadamente 2 ängstroms (1 ängstrom equivale a una diez mil billonésima parte de un metro), los investigadores pudieron registrar diferencias en las frecuencias en varias posiciones dentro de la molécula . Sostienen que la increíble resolución se debe a la tunelización 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 los átomos, y lo estamos utilizando para mirar dentro de las moléculas, lo que era impensable hace solo unos años", dijo Apkarian. "La resolución espacial de la microscopía óptica se ha avanzado en otra categoría, y lo que estamos viendo a esta escala es realmente sorprendente".

A continuación, los científicos de CaSTL refinarán aún más sus mediciones de los campos eléctricos dentro de las moléculas, trabajarán para detectar dónde faltan los átomos en las estructuras moleculares y usarán los principios de interferencia cuántica para caracterizar detalles aún más finos.  @mundiario