Imagen atómica de estados de carga moleculares

La conversión y transporte de energía en sistemas biológicos dependen de la carga y descarga precisa de moléculas. Porfirinas —como clorofila y hemoglobina— son centrales en estos procesos, y sus cambios estructurales inducidos por carga también impulsan el rendimiento de dispositivos electrónicos orgánicos y fotovoltaicos.

Cuando una molécula gana o pierde un electrón, su geometría y estructura electrónica cambian. Resolviendo estos cambios sutiles a nivel atómico, ganamos insight sin precedentes en el vínculo entre estado de carga y función.

Mis colegas en IBM Research, junto con socios de CiQUS, Universidad de Santiago de Compostela y ExxonMobil, reportaron recientemente en Science que hemos logrado imagen atómica de la evolución estructural de moléculas individuales al cargarse. El estudio se centró en porfina, el andamiaje padre de todas las porfirinas, y reveló cómo su camino de conjugación se adapta con cada electrón añadido o removido.

Una década de innovación metodológica

Hace diez años pionereamos una técnica que captura estructura de moléculas con precisión atómica (Science 325, 1110, 2009). Luego extendimos este método para sondear fuerzas de enlace directamente (Science 337, 1326, 2012). La clave de estos avances fue funcionalizar la punta de un microscopio de fuerza atómica (AFM) de baja temperatura con una sola molécula de CO, que agudiza contraste de imagen y estabilidad.

Basándonos en esa fundación, refinamos la técnica para controlar el estado de carga de moléculas adsorbidas en sustratos aislantes, previniendo fuga de carga (Nature Comm. 6, 8353, 2015). Aplicando sesgo entre la punta AFM y la muestra, podemos añadir o remover electrones a voluntad.

El año pasado, Shadi Fatayer y yo imaginamos fusionar estas capacidades —imagen ultra-alta resolución con punta CO con control dinámico de carga. Nuestra última publicación demuestra esta integración y explora las ramificaciones estructurales para varias moléculas biológica y tecnológicamente relevantes.

Hallazgos clave

Primero examinamos azobenceno, un interruptor molecular clásico. Mientras neutro, sus dos anillos fenilo yacen planos y paralelos. Al aceptar un electrón, los anillos se inclinan respecto al otro, firma clara de cambio geométrico inducido por carga.

Luego, sondeamos pentaceno, semiconductor orgánico de referencia. Manipulando su carga de +1 a –2, observamos variaciones enlace-por-enlace: ciertos enlaces C–C se endurecen mientras otros se ablandan, ilustrando cómo la redistribución electrónica gobierna respuesta mecánica.

Investigamos luego TCNQ, aceptor de carga común. En estado neutro se yergue vertical sobre la superficie, pero se vuelve planar una vez cargado negativamente. La aromaticidad aumentada del anillo central en estado doblemente negativo se visualiza directamente.

Finalmente, nos volvimos a porfina. Por primera vez, capturamos su camino de conjugación y carácter aromático a través de tres estados de carga distintos. Estas observaciones aclaran debates largo tiempo sobre química de porfirinas y proporcionan marco para predecir comportamiento funcional tanto en biología como en ciencia de materiales.

Nuestro trabajo demuestra que control preciso e imagen de estados de carga moleculares desbloquea entendimiento más profundo de cómo la carga modula estructura y función —conocimiento vital para avanzar bioenergética, electrónica orgánica y tecnologías fotovoltaicas.

Molecular structure elucidation with charge‑state control, Science, Shadi Fatayer, Florian Albrecht, Yunlong Zhang, Darius Urbonas, Diego Peña, Nikolaj Moll, Leo Gross, DOI: 10.1126/science.aax5895

El proyecto fue apoyado por la beca Consolidator del European Research Council 'AMSEL' (Contrato No. 682144), Agencia Estatal de Investigación (MAT2016-78293-C6-3-R), Xunta de Galicia (Centro singular de investigación de Galicia, acreditación 2016–2019, ED431G/09), y el Fondo Europeo de Desarrollo Regional.