Científicos checos han observado directamente, por primera vez, una distribución asimétrica de la densidad de electrones en átomos individuales de elementos halógenos, el llamado agujero sigma.
Con su investigación, publicada en Science, han confirmado definitivamente su existencia, predicha teóricamente hace unos 30 años, y han superado uno de los antiguos retos de la ciencia.
Hasta ahora, la observación de las estructuras subatómicas estaba más allá de la capacidad de resolución de los métodos de imagen directa, y parecía poco probable que esto cambiara. Sin embargo, los científicos checos han presentado un método con el que se han convertido en los primeros del mundo en observar una distribución no homogénea de la carga de los electrones alrededor de un átomo de halógeno, confirmando así la existencia de un fenómeno que se había predicho teóricamente pero que nunca se había observado directamente.
Comparable a la primera observación de un agujero negro, el avance facilitará la comprensión de las interacciones entre átomos o moléculas individuales, así como de las reacciones químicas, y abre una vía para perfeccionar las propiedades materiales y estructurales de diversos sistemas físicos, biológicos y químicos.
En una amplia colaboración interdisciplinar, científicos del Instituto Checo de Tecnología e Investigación Avanzadas (CATRIN) de la Universidad de Palacky Olomouc, el Instituto de Física de la Academia de Ciencias Checa (FZU), el Instituto de Química Orgánica y Bioquímica de la Academia de Ciencias Checa (IOCB Praga) y el Centro de Supercomputación IT4Inovations de la Universidad Técnica de Ostrava (VSB) han conseguido aumentar drásticamente la capacidad de resolución de la microscopía de barrido, que hace varios años permitió a la humanidad obtener imágenes de átomos individuales, y han pasado así del nivel atómico a los fenómenos subatómicos.
«Confirmar la existencia de los agujeros sigma, predichos teóricamente, no es diferente a observar agujeros negros, que nunca se habían visto hasta hace sólo dos años, a pesar de haber sido predichos en 1915 por la teoría general de la relatividad. Visto así, no es muy exagerado decir que la obtención de imágenes de los agujeros sigma representa un hito similar a nivel atómico», explica Pavel Jelínek, de la FZU y del CATRIN, un destacado experto en el estudio teórico y experimental de las propiedades físicas y químicas de las estructuras moleculares en la superficie de las sustancias sólidas.
Hasta ahora, la existencia del fenómeno conocido como agujero sigma se había demostrado indirectamente mediante estructuras cristalinas de rayos X con un enlace halógeno, que revelaban la sorprendente realidad de que los átomos de halógeno enlazados químicamente de una molécula y los átomos de nitrógeno u oxígeno de una segunda molécula, que deberían repelerse, están en proximidad y, por tanto, se atraen. Esta observación estaba en flagrante contradicción con la premisa de que estos átomos tienen una carga negativa homogénea y se repelen por la fuerza electrostática.
Esto llevó a los científicos a examinar la estructura subatómica del halógeno mediante la microscopía de fuerza con sonda Kelvin. Comenzaron desarrollando una teoría que describía el mecanismo de la resolución atómica de la sonda Kelvin, lo que les permitió optimizar las condiciones experimentales para obtener imágenes de los agujeros sigma.
La posterior combinación de mediciones experimentales y métodos químicos cuánticos avanzados dio lugar a un notable avance: la primera visualización experimental de una distribución de carga de densidad electrónica no homogénea, es decir, un agujero sigma, y la confirmación definitiva del concepto de enlaces halógenos.
«Mejoramos la sensibilidad de nuestra microscopía de fuerza con sonda Kelvin funcionalizando la punta de la sonda con un solo átomo de xenón, lo que nos permitió visualizar la distribución de carga no homogénea en un átomo de bromo dentro de una molécula de tetrafenilmetano bromado, es decir, un agujero sigma en el espacio real, y confirmar la predicción teórica», dice Bruno de la Torre, de CATRIN y FZU.
«Cuando vi el agujero sigma por primera vez, fui ciertamente escéptico, porque implicaba que habíamos superado el límite de resolución de los microscopios hasta el nivel subatómico –prosigue–. Una vez que lo acepté, me sentí a la vez orgulloso de nuestra contribución a la hora de superar los límites del experimento y satisfecho de haber abierto un camino para que otros investigadores vayan más allá y apliquen estos conocimientos para descubrir nuevos efectos a nivel de un solo átomo», añade de la Torre.
Según los científicos, la capacidad de obtener imágenes de una distribución de carga de densidad electrónica no homogénea en átomos individuales permitirá, entre otras cosas, comprender mejor la reactividad de las moléculas individuales y la razón de la disposición de las distintas estructuras moleculares. «Creo que se puede decir que la obtención de imágenes con resolución subatómica va a tener un impacto en varios campos de la ciencia, como la química, la física y la biología», dice Jelínek.
«Llevo toda la vida estudiando las interacciones no covalentes, y me satisface mucho que ahora podamos observar algo que antes sólo podíamos «ver» en teoría y que las mediciones experimentales confirmen con precisión nuestra premisa teórica de la existencia y la forma del agujero sigma. Nos permitirá comprender mejor estas interacciones e interpretarlas», afirma el químico computacional Pavel Hobza, del IOCB de Praga, que realizó los cálculos químicos cuánticos avanzados en los superordenadores del IT4Inovations de Ostrava.
«Lo que vemos es que los enlaces halógenos y las interacciones no covalentes en general desempeñan un papel dominante no sólo en la biología, sino también en la ciencia de los materiales. Esto hace que nuestro artículo actual en Science sea aún más importante», añade Hobza.
La forma característica del agujero sigma está formada por una corona de carga positiva rodeada por un cinturón de densidad de electrones negativos. Esta distribución no homogénea de la carga conduce a la formación de un enlace halógeno, que desempeña un papel clave, entre otras cosas, en la química supramolecular, incluida la ingeniería de cristales moleculares, y en los sistemas biológicos.
El conocimiento preciso de la distribución de la carga de los electrones en los átomos es necesario para comprender las interacciones entre átomos y moléculas individuales, incluidas las reacciones químicas. Así, el nuevo método de obtención de imágenes abre la puerta al perfeccionamiento de las propiedades materiales y estructurales de muchos sistemas físicos, biológicos y químicos que afectan a la vida cotidiana.
