Filmar películas en el laboratorio requiere un equipo especial. Especialmente cuando los actores son moléculas, invisibles a simple vista, que reaccionan entre sí. “Imagínese intentar filmar un pequeño flujo de lava durante una erupción volcánica. La cámara de su teléfono inteligente no estará a la altura. Primero, necesitará desarrollar un método especial para hacer visible el proceso que desea capturar”. dice el profesor. Emiliano Cortés, profesor de física experimental y conversión de energía en LMU.
Pero el esfuerzo vale la pena, especialmente cuando el producto de la reacción es un material energético prometedor: las llamadas estructuras orgánicas covalentes (COF). Aunque todavía es bastante joven, esta clase de material tiene un gran potencial para su uso en la tecnología de baterías y la producción de hidrógeno. Pero a pesar de 20 años de intensa investigación, los científicos no han podido dilucidar completamente lo que realmente sucede durante la síntesis de COF. Por tanto, el contenido suele desarrollarse mediante prueba y error. Este también ha sido el caso de los COF, donde varios componentes moleculares tienen que encontrar el lugar correcto durante la síntesis. Sólo entonces se forma en grandes superficies la estructura porosa necesaria.
“Descubrir por qué la síntesis funciona sólo bajo ciertas condiciones y no bajo otras. Me ha interesado desde mi maestría. Nuestro enfoque en este proyecto fue utilizar las herramientas de la física para ayudar a los químicos. “Queríamos arrojar más luz sobre procesos complejos y así mejorarlos”, explica Christoph Gruber, que investigó el tema en el marco de su tesis doctoral. Con ese fin, los dos científicos se acercaron al grupo de investigación de la profesora Dana Medina, química de la LMU, que se especializa en la síntesis de COF, para establecer una colaboración.
Para rodar la película con estrellas atómicas, Gruber utilizó un microscopio especial. Con esta herramienta, el equipo pudo seguir el mecanismo de formación de COF a nivel nano. Los investigadores de LMU publicaron recientemente sus importantes hallazgos en la revista La naturaleza, junto con un vídeo que muestra el proceso en tiempo real durante la síntesis. Su investigación fue posible gracias a la financiación del E-Conversion Cluster of Excellence (DFG), el Centro de Nanociencia (CeNS), el Programa Bávaro de Tecnologías Solares SolTech y la Comisión Europea (CE).
La configuración inicial es importante.
La síntesis de estructuras moleculares requiere sobre todo una cosa: el control preciso de las reacciones y el autoensamblaje de los componentes moleculares existentes. “Sólo cuando se tiene este control es posible lograr una estructura altamente cristalina con una amplia gama y, en última instancia, la funcionalidad deseada”, dice Medina. “Sin embargo, nuestro conocimiento de las primeras etapas de la nucleación y del crecimiento en particular está lleno de lagunas. Y esto ha obstaculizado el desarrollo de protocolos de síntesis eficientes. Por lo tanto, nos propusimos descubrir las reacciones y estábamos muy emocionados de centrarnos en las primeras etapas cuando Los componentes moleculares mezclados comienzan a reaccionar.” Aquí es donde Gruber comenzó su investigación, eligiendo lo que a primera vista parece ser un método poco ortodoxo para arrojar luz sobre la escena temprana de la formación de COF: la microscopía iSCAT. El acrónimo significa dispersión interferométrica y la biofísica suele utilizar esta tecnología para investigar cosas como las interacciones de proteínas. “El principio de medición se basa en el hecho de que incluso las partículas más pequeñas, compuestas por unas pocas moléculas, dispersan la luz incidente. Si estas ondas de luz dispersas chocan, obtenemos interferencias. – Al igual que las ondas del agua en un estanque, obtenemos Ondas grandes y pequeñas, dependiendo de cómo registremos estos patrones de luz con una cámara de alta resolución y luego con el procesamiento de imágenes, obtenemos imágenes que revelan, por ejemplo, partículas de COF a nanoescala”. explica Gruber. Y aquí viene lo bueno: el método iSCAT es adecuado para capturar procesos dinámicos y, por tanto, mediciones en tiempo real. Esto permite a los investigadores ver la síntesis en vivo, por así decirlo.
Las gotitas tienen talento.
Inmediatamente después de que comenzó la reacción, los investigadores se sorprendieron al observar la presencia de pequeñas estructuras en el medio de reacción transparente. “Las imágenes nos mostraron que las gotas de escala nanométrica pueden desempeñar un papel importante en la síntesis. Aunque son extremadamente pequeñas, controlan toda la dinámica al inicio de la reacción”, afirma Gruber. “Hasta ahora no se sabía nada sobre su existencia, pero en los COF que estudiamos, las nanopartículas resultaron ser cruciales para la formación. Si no estuvieran allí, toda la reacción sería mucho más rápida y se perdería la configuración deseada. “
Utilizando el método iSCAT, el equipo de LMU pudo grabar una película que mostraba la formación de la estructura molecular desde cero, con una sensibilidad de sólo unos pocos nanómetros. “Las técnicas actuales no pueden capturar el inicio de reacciones, con estos procesos a nanoescala y de milisegundos de duración, en tiempo real”, dice Cortés. “Gracias a nuestra investigación, ahora podemos cerrar esta brecha en nuestro conocimiento. Al mismo tiempo, estamos obteniendo una imagen completa de las primeras etapas de la reacción y la formación progresiva de COF”.
Receta para ahorrar energía
Además, los investigadores utilizaron el fragmento de película y el análisis resultante para diseñar un concepto de síntesis energéticamente eficiente. “A partir de nuestros resultados, descubrimos cómo diseñar racionalmente las condiciones de reacción”, explica Medina. “Por ejemplo, añadiendo sal de mesa pudimos reducir la temperatura de la masa, de modo que la estructura molecular se forma a temperatura ambiente, en lugar de a 120 grados centígrados”. Los investigadores creen que sus hallazgos cambiarán nuestra forma de pensar sobre la síntesis de más de 300 COF diferentes y, por lo tanto, podrían impulsar avances en la producción industrial de COF. Además, los resultados podrían tener efectos de gran alcance en la síntesis y reacciones químicas de otros materiales que aún no se han observado en tiempo real. Los investigadores de la LMU están entusiasmados con el rodaje de nuevas películas con moléculas en papeles protagónicos.
