Científicos observan por primera vez una distribución de carga electrónica no homogénea en un átomo

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Vista esquemática que muestra el principio del experimento que permitió visualizar el agujero sigma en un átomo de bromo (Br) en una molécula utilizando una punta especialmente modificada de un microscopio de barrido funcionalizado con un único átomo de xenón (Xe). Arriba: vista esquemática de la punta del microscopio de barrido con un único átomo de xenón (Xe). Centro: ilustración experimental del agujero sigma adquirida mediante un microscopio de barrido utilizando el principio de la sonda Kelvin. Abajo: mapa de potencial electrostático que representa el agujero sigma (distribución de carga atómica no homogénea en un átomo de bromo), que está formado por una carga positiva en la parte superior del átomo (corona azul) rodeada por un penacho de electrones negativos (campo rojo). Crédito: FZU/DRAWetc

En una amplia colaboración interdisciplinar, científicos 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.

Los científicos 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 ello, han confirmado definitivamente su existencia, predicha teóricamente hace unos 30 años, y han superado uno de los antiguos retos de la ciencia.

Comparación de la predicción teórica y los resultados del experimento. Crédito: Tomas Bellon / IOCB Praga

"Confirmar la existencia de los agujeros sigma predichos teóricamente no es diferente a observar agujeros negros, que nunca se habían visto hasta hace solo dos años a pesar de haber sido predichos en 1915 por la teoría general de la relatividad. Visto en ese sentido, 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 químicamente enlazados 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.

"Mejoramos la sensibilidad de nuestra microscopía de fuerza con sonda Kelvin funcionalizando la punta de la sonda con un único 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, del CATRIN y la 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. 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 solo podíamos "ver" en teoría y que las mediciones experimentales confirmen con precisión nuestra premisa teórica de la existencia y la forma del agujero sigma."

"Lo que vemos es que los enlaces halógenos y las interacciones no covalentes en general desempeñan un papel dominante no solo 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.

Fuentes, créditos y referencias:

Benjamin Mallada et al, Real-space imaging of anisotropic charge of σ-hole by means of Kelvin probe force microscopy, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abk1479. www.science.org/doi/10.1126/science.abk1479