Para sorpresa de los químicos, una nueva técnica para tomar instantáneas de moléculas con precisión atómica consiste en producir químicos que no deberían poder ver.
Las reacciones químicas tienen lugar tan rápidamente, a menudo en picosegundos, o una billonésima de segundo, que los químicos esperan que los pasos intermedios en la reacción sean demasiado breves para observar. Solo los láseres disparan en ráfagas de femtosegundos, como una luz estroboscópica destellando cada vezmilésima de picosegundo: puede capturar las estructuras moleculares fugaces que los químicos que reaccionan se forman en su camino hacia un producto final.
Sin embargo, un equipo de químicos y físicos de la Universidad de California, Berkeley y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley ha tomado instantáneas de dos moléculas que reaccionan en la superficie de un catalizador, y encontró estructuras intermedias que duran aproximadamente 20 minutos parasacar una foto.
"Intuitivamente, no esperábamos ver estos intermedios transitorios, porque son de corta duración", dijo Felix Fischer, profesor asistente de química en UC Berkeley. "Basado en nuestra comprensión tradicional, esperaría ver el comienzomateriales y muy poco después, solo el producto. Pero vemos estos intermedios, por lo que está sucediendo algo más "
La explicación de estas moléculas fantasmales ahora está dando detalles de las reacciones catalíticas que los químicos solo han entendido vagamente hasta ahora, y brinda nuevas reglas para las reacciones químicas que los químicos pueden explotar para hacer que las reacciones sean más rápidas o más eficientes, o construir moléculas nunca antesvisto
Fischer mismo está comenzando a construir una caja de herramientas que ayudará a diseñar o mejorar las reacciones catalíticas, que son el caballo de batalla de la industria química mundial, responsable de producir todo, desde combustible hasta los bloques de construcción de plásticos. Estas herramientas también podrían afectar campos talescomo ciencia de materiales, nanotecnología, biología y medicina.
"La forma en que los químicos piensan sobre la catálisis heterogénea parece ser una imagen incompleta de lo que realmente está sucediendo en la superficie", dijo. "Si podemos entender cómo tomar esta caja de herramientas y usarla en el diseño de nuevas estructuras ola síntesis de nuevos materiales, que abre un campo completamente nuevo de química que hasta ahora ha sido oscuro para nosotros, porque no sabíamos cómo visualizar realmente lo que está sucediendo ".
Un documento que describe su trabajo apareció en línea esta semana antes de su publicación en la revista Química de la naturaleza .
microscopía de fuerza atómica
Debido a que las reacciones químicas ocurren tan rápidamente, los químicos solo pueden inferir cómo los químicos cambian durante el proceso, a medida que los enlaces entre los átomos se rompen y reforman, las ramas giran o se unen para formar anillos, y las estructuras tridimensionales cambian. Hace tres años, Fischer y UCMichael Crommie de Berkeley, profesor de física, se unió para aplicar la precisión a escala atómica de la microscopía de fuerza atómica para tomar instantáneas de moléculas antes y después de una reacción, tratando de confirmar lo que los químicos siempre han inferido.
Su microscopio de fuerza atómica sin contacto, o nc-AFM, flota sobre una superficie y detecta átomos individuales a través de una sonda vibratoria microscópica con una molécula sensible de monóxido de carbono en su punta. Fischer, Crommie y sus colegas de UC Berkeley colocan moléculas en unsuperficie dorada o plateada y caliéntelos para que reaccionen lentamente, luego use el nc-AFM para tomar instantáneas en el transcurso de la reacción.
Durante su primer intento de representar una reacción entre dos moléculas, vieron no solo los productos químicos iniciales y el producto final, sino también dos estructuras químicas intermedias que no deberían haber estado allí. Si piensa en una reacción como una secuencia de muchos productos intermediosreordenamientos químicos, los cambios estructurales fáciles deberían ocurrir rápidamente, mientras que los reordenamientos más complicados serían más lentos, porque hay una barrera energética más alta para hacer esos cambios. Pero los intermedios que vio fueron los que deberían haber desaparecido más rápido, según las teorías actuales.
Los químicos orgánicos como Fischer tienden a pensar que una reacción química es similar a caerse cuesta abajo: una vez que comienza, su propia energía lo mantiene en funcionamiento hasta que aparece el producto final. Sin embargo, este concepto no explicó sus resultados, por lo que tomó prestadouna idea de ingenieros químicos que trabajan con catalizadores. Para ellos, algunos estados intermedios están más unidos a la superficie catalítica y pierden energía, lo que ralentiza la reacción. Es como si la reacción golpeara una roca en su trayectoria descendente.
El colega de Fischer, Angel Rubio, director del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia en Hamburgo y profesor de la Universidad del País Vasco en España, realizó extensos cálculos de supercomputadora teniendo en cuenta esta unión de superficie, pero aún así fueno es capaz de predecir los intermedios realmente observados
Juntos finalmente se dieron cuenta de la idea de tener en cuenta los cambios de entropía en cada paso de la reacción, y coincidieron exactamente con las observaciones. La entropía, esencialmente el nivel de desorden o caos en un sistema, odia disminuir, de acuerdo con eltercera ley de la termodinámica. Por lo tanto, algunas transiciones que parecen energéticamente fáciles se atascan porque pasan de una estructura flexible unida libremente al catalizador una situación de alta entropía a una situación más rígida, estrechamente ligada y de menor entropía.
"Tener en cuenta la entropía podría ayudarlo a comprender la distribución de los productos que obtiene de una reacción de catálisis heterogénea", dijo. "Podría ayudarlo a predecir qué intermedios tienen una larga vida útil en la superficie, cuáles podrían moverse, adsorberseo se desorbe de la superficie, lo que lleva a una distribución del producto que podría no ser lo que desea. Luego, podría sintonizar la reacción hacia el producto que desea ".
Fischer usó su creciente caja de herramientas el año pasado para hacer una molécula que se predijo hace más de medio siglo pero que no se puede lograr usando una química orgánica estándar en solución. En cambio, la construyó sobre la superficie de un catalizador a partir de moléculas hechas a medida que normalmenteno reacciona de la manera correcta, sino que lo guió para crear una molécula antiferromagnética llamada peripentaceno.
"Usamos esta caja de herramientas de química de superficie y las reglas que hemos aprendido para hacer una molécula que nadie había podido hacer en 60 años", dijo. "Este es un ejemplo de por qué es importante entender qué essucediendo en estas superficies, y cómo puede usar esta comprensión para acceder a estructuras y reactividades que no son accesibles con las herramientas estándar que tenemos en este momento "
Otros coautores de la Química de la naturaleza papel son Alexander Riss, Sebastian Wickenburg, Hsin-Zon Tsai, Aaron Bradley, Miguel Ugeda, Han Sae Jung y Patrick Gorman de UC Berkeley, Alejandro Pérez Paz de la Universidad del País Vasco en España y Dimas G. De Oteyza deDonostia International Physics Center en San Sebastián, España.
El trabajo fue financiado por el Departamento de Energía, la Oficina de Investigación Naval, el Consejo Europeo de Investigación y los Grupos Consolidados UPV / EHU del Gobierno Vasco.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Berkeley . Original escrito por Robert Sanders. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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