Viendo carga molecular

Científicos de IBM fueron capaz de medir por primera vez la distribución de carga de una molécula individual. Este logro permitirá dar nuevas luces acerca de la formación de enlaces entre átomos y moléculas, así como el estudio de distribución electrónicas con estructuras moleculares funcionales.

Esta observación se logro mediante el uso de una modificación de la técnica de microscopia de fuerza atómica (AFM por sus siglas en ingles). Esta técnica usa una muy pequeña punta (cuya terminación es de tamaño atómico) que interactúa con las nubes de carga de la superficie de interés experimentando repulsión/atracción conforme nos acercamos.

Esta fuerza sobre la punta no es medida directamente pero se establece a través de la medición de la deflexión de la ménsula en el cual se apoya la punta y se obtiene usando el modelo de resortes (Ley de Hooke) \(F=-kz\), donde \(k\) corresponde a la constante de resorte de la ménsula (asociada a sus propiedades elásticas, como el modulo de Young). Usando esta fuerza junto con la curva de calibración de fuerza vs distancia del instrumento, es posible reconstruir (estas técnicas no nos permiten observar por lentes, debemos observar una reconstrucción matemática de la información a través del monitor de nuestro pc) la topografía de una superficie, y en este caso particular la estructura molecular en sí.

La técnica usada, resultado de la modificación de la anterior, denominada KPFM (Kelvin probe force microscopy), es sensible adicionalmente a la carga. Esto se logra ya que la adaptación realizada esta basada en el uso de un STM (Scanning Tunneling Microscopy, o Microscopia de Efecto Túnel) la cual aplica una diferencia de potencial al montaje, volviendo este sensible a las propiedades eléctricas y conductivas de la muestra. Esta técnica esta basada en el efecto de tunelamiento de la mecánica cuántica, que en este caso se produce cuando se acerca mucho una punta conductora a la superficie de interés. En este momento, surge una diferencia de potencial entre la punta y la superficie, que puede causar la emisión de electrones con una cierta probabilidad y por ende inducir una corriente de tunelamiento. Esta corriente de tunelamiento es función de la posición de la punta, la diferencia de potencial aplicada y la densidad local de estados (LDOS) asociada a la densidad electrónica.

Las siguientes micrografías son etapas del procesamiento de imagen de una observación de la tautomerización de la naftalocianina. La imagen en escala de grises corresponde a la micrografía original, donde se evidencian tonalidades claras y oscuras asociadas a distribuciones de carga más negativas o más positivas (no es directamente la medición de la carga, pero si de la intensidad del campo eléctrico, produciendo los fuertes contrastes debido a cambios en la dirección del campo eléctrico y no solo de su magnitud). Posteriormente se cambia el mapa de color, y por último se realizan suavizados de la imagen.

Referencias

1. Scientists image the charge distribution within a single molecule for the first time. Physorg. February 22, 2012.

2. Atomic force microscopy. Wikipedia.

3. Atomic Force Microscopy. Nanoscience.

4. Scanning tunneling microscope. Wikipedia.