Imagen de IBM y Warwick Molécula triangular altamente reactiva por primera vez

Triangulene obtiene su primer acercamiento gracias a científicos de IBM y la Universidad de Warwick

(7 de abril, ACTUALIZACIÓN:el artículo aparece en la portada de la edición de abril de Nature Nanotechnology).

El mes de abril 2017 Volumen 12 No 4 de Nature Nanotechnology. Crédito de la imagen Niko Pavlicek, IBM Research. Diseño de portada:Bethany Vukomanovic

Publicado hoy en Nature Nanotechnology, los científicos de IBM están realmente haciendo visible lo invisible

Hace unas semanas, IBM publicó sus cinco predicciones anuales para los próximos cinco años basadas en este tema. Los científicos de IBM en Zurich están presentando un buen argumento para agregar una sexta predicción con su último logro científico:obtener imágenes de algunos de los objetos más pequeños conocidos por la ciencia.

Si bien no son nombres conocidos, las moléculas que incluyen pentaceno, olimpiceno, hexabenzocoroneno y cefallandole A son todas moléculas microscópicas que tradicionalmente se representan mediante modelos de barra estructural 2D; piense en su clase de química de la escuela secundaria.

Pero gracias a una técnica de microscopía publicada por los científicos de IBM en 2009, los físicos, biólogos y químicos de todo el mundo ahora pueden obtener imágenes de estas moléculas con notable claridad y precisión, en algunos casos por primera vez, décadas después de que se teorizaran por primera vez, lo que les permite estudiar y manipular con increíble precisión.

David Fox, de la Universidad de Warwick, explica:“Para los químicos, es sorprendente poder ver moléculas individuales en una resolución tan alta, especialmente las inusuales o altamente reactivas. Es la mejor manera de confirmar su estructura ”.

Prof. David Fox, de la Universidad de Warwick, colaboró ​​por primera vez con IBM Research en 2012.

Además de las imágenes, el equipo de IBM, que incluye a dos ganadores de subvenciones del Consejo Europeo de Investigación (ERC), Leo Gross y Gerhard Meyer, también puede manipular moléculas para provocar reacciones químicas, de modo que las moléculas puedan sintetizarse a partir de moléculas precursoras adsorbidas.

Por ejemplo, hace casi un año en colaboración con CiQUS en la Universidad de Santiago de Compostela, los científicos desencadenaron y observaron una fascinante reacción de reordenamiento molecular conocida como ciclación de Bergman y el año anterior estudiaron y visualizaron arinos, una familia de altamente- moléculas reactivas de corta vida que se sugirió por primera vez hace 115 años, lo que demuestra que de hecho existen. Y ahora, lo están haciendo de nuevo.

Apareciendo hoy en Nature Nanotechnology, los científicos de IBM, en colaboración con químicos de la Universidad de Warwick, han sintetizado y caracterizado una molécula engañosa llamada tri-águila, también conocida como hidrocarburo de Clar, que se planteó por primera vez en 1953.

Anish Mistry, de la Universidad de Warwick, continúa:“Los químicos siempre han pensado que la triangulana sería demasiado inestable para aislarla. Sobre la base de nuestra colaboración anterior con olimpiceno, hemos agregado un anillo adicional a la molécula y un nivel adicional de complejidad a la ciencia, pero hemos logrado hacer una molécula previamente imposible con propiedades potencialmente realmente interesantes ".

El primer autor del artículo, el investigador de IBM, Niko Pavliček, comenta:“En este trabajo, usamos nuestra técnica de manipulación atómica de los artículos de aryne y Bergman para generar triangulos, que nunca antes se habían sintetizado. Es una molécula desafiante porque es altamente reactiva, pero también es particularmente interesante debido a sus propiedades magnéticas ".

Como han demostrado en artículos anteriores, los científicos de IBM utilizan un microscopio de efecto túnel (STM) y un microscopio de fuerza atómica (AFM) combinados, ambos inventados por antiguos científicos de IBM en la década de 1980 y reconocidos con los premios Nobel y Kavli, respectivamente.

En su última investigación, se utilizó la punta afilada del STM / AFM combinado para eliminar dos átomos de hidrógeno de la molécula precursora. El STM toma su medida mediante un túnel mecánico cuántico de electrones entre una punta que se acerca mucho a la superficie de una muestra y aplica un voltaje entre ellos. A un voltaje adecuadamente alto, los "electrones tunelizados" pueden inducir la eliminación de los enlaces específicos dentro de la molécula precursora. La molécula del producto se puede caracterizar por sus orbitales moleculares cuando se obtienen imágenes con voltajes más suaves.

Estas mediciones, combinadas con los cálculos de la teoría funcional de la densidad, confirmaron que el triangulo mantiene las propiedades de las moléculas libres en la superficie.

El equipo también utilizó el AFM, con una punta terminada con una sola molécula de monóxido de carbono, para resolver o visualizar la molécula plana con sus seis anillos de benceno fusionados, que aparecen en un triángulo simétrico, por primera vez. Los resultados produjeron algunas sorpresas agradables.

científico de IBM Leo Gross co-desarrolló la técnica AFM para obtener imágenes triangulares.

Gross explica:“Los radicales presentan electrones no apareados, y anteriormente estábamos investigando los radicales sigma. En estos, los electrones no apareados se asignan a ciertos átomos y encontramos que estos siempre formaban enlaces con el cobre. Pero nos sorprendió que no se formara ningún enlace entre el triángulo y el cobre. Creemos que se debe a que el triangulo es un radical pi, lo que significa que sus electrones desapareados están deslocalizados ".

Son exactamente estos electrones desapareados los que hacen que la molécula sea interesante. En la física clásica, una partícula cargada que se mueve en el espacio posee un momento angular y produce un campo magnético a su alrededor. En la mecánica cuántica, cada partícula, moviéndose en el espacio o no, posee un momento angular intrínseco adicional, que se llama su "espín". En la mayoría de los hidrocarburos convencionales, los electrones siempre están emparejados y el efecto de sus espines se cancela. Pero en moléculas como el triángulo, el giro de los electrones no apareados conduce al magnetismo a escala molecular.

Los autores creen que más allá de la ciencia, también hay varias aplicaciones interesantes para este trabajo.

Pavliček explica:“Se han sugerido segmentos similares a triangulos incorporados en nanocintas de grafeno como una forma elegante de diseñar dispositivos espintrónicos orgánicos”.

Las nanocintas de grafeno se están investigando para aplicaciones en materiales nanocompuestos, que son muy fuertes y ligeros. El campo de la espintrónica está siendo estudiado por grupos de todo el mundo, incluido IBM, para el almacenamiento y procesamiento de información.

Pavliček continúa:“También pudimos demostrar que su magnetismo sobrevive en superficies de xenón o cloruro de sodio. Sin embargo, no podemos obtener una imagen detallada de su estado magnético y posibles excitaciones con nuestro microscopio (que carece de campo magnético), por lo que hay mucho que explorar y descubrir para otros grupos ”.

Parte de esta investigación se está llevando a cabo bajo un nuevo consorcio colaborativo que IBM ha lanzado llamado IBM Research Frontiers Institute. Dentro de este marco, los miembros del Instituto desarrollan y comparten conjuntamente tecnologías innovadoras y exploran sus implicaciones comerciales.

La investigación también fue financiada parcialmente por la Comisión Europea en el marco de los proyectos H2020 PAMS e ITN QTea y las subvenciones ERC CEMAS y AMSEL.

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