A 7 kelvin (una temperatura tan fría que incluso el aire se congelaría) una sola molécula se asienta sobre una superficie de cobre. Es, según la mayoría de los cálculos, uno de los objetos más pequeños jamás interrogados deliberadamente: un anillo de cuatro átomos de carbono y uno de nitrógeno, con átomos de hidrógeno erizados en sus bordes. Una punta de tungsteno flota a nanómetros por encima y mide el goteo cuántico de electrones. Entonces el láser pulsa.
La molécula se voltea.
No al azar, no térmicamente, sino en respuesta directa a un haz de luz infrarroja sintonizado para resonar con la frecuencia precisa a la que se estira su enlace nitrógeno-hidrógeno. La punta registra el cambio. El interruptor es el espectro. Y por primera vez, una sola molécula ha cantado su propia huella vibratoria, nota a nota, a un oyente paciente que puede oírla.
La técnica, desarrollada por Shaowei Li y colegas de UC San Diego y publicada esta semana en Science, combina dos herramientas poderosas pero previamente incompatibles. La espectroscopia infrarroja ha sido el caballo de batalla de la química durante más de un siglo: ilumina una molécula con la frecuencia correcta, observa cómo se absorbe y sabrás qué enlaces están presentes. El problema es la resolución. La luz infrarroja tiene longitudes de onda medidas en micrómetros, y el límite de difracción significa que nunca se puede enfocarla con la suficiente precisión como para distinguir una sola molécula entre la multitud. La microscopía de efecto túnel, por el contrario, puede obtener imágenes de átomos individuales con una precisión de ångström. Pero su sensibilidad a las vibraciones siempre ha estado restringida por las estrechas ventanas de energía que puede explorar el túnel de electrones.
El grupo de Li combinó la excitación infrarroja con la detección de corriente de túnel, llamando a la plataforma resultante IRiSTM. En principio, la idea es asombrosamente simple: si sintonizas tu láser a una frecuencia que excite una vibración molecular particular, y esa vibración hace que la molécula se mueva, aunque sea ligeramente, la corriente de túnel cambiará. Pero para que funcionara fue necesario eliminar una serie de señales confusas, en particular la expansión térmica de la propia punta, que los investigadores suprimieron con un esquema de retroalimentación piezoeléctrica activa.
Para validar el enfoque comenzaron poco a poco. El radical etinilo, sólo dos átomos de carbono y uno de hidrógeno, se depositó sobre cobre y se iluminó en un amplio rango de infrarrojos. En 3.169 números de onda, correspondientes al tramo carbono-hidrógeno, la molécula comenzó a girar rápidamente entre sus cuatro orientaciones equivalentes en la superficie. Aléjate de esa frecuencia y la rotación se ralentiza. Reemplace el hidrógeno con un átomo de deuterio más pesado y cada pico cambiará predeciblemente a una energía más baja, como lo requiere la física básica. La sustitución de isótopos hizo lo que siempre hace en espectroscopia: confirmó la asignación más allá de toda duda.
Una vez establecido el método, el equipo recurrió a algo biológicamente más importante. La pirrolidina, el anillo de cinco miembros en el corazón del aminoácido prolina, es una de las moléculas pequeñas de mayor trascendencia en biología estructural. La “torsión de la prolina” que genera altera la geometría regular de las proteínas, forzando curvaturas y giros que dan forma a los sitios activos de las enzimas, los receptores de membrana y la triple hélice del colágeno. El anillo de pirrolidina no es rígido: se flexiona entre dos conformaciones, axial y ecuatorial, un movimiento que los químicos llaman fruncimiento del anillo. A las temperaturas relevantes para la biología, ese fruncimiento ocurre de manera espontánea y constante. A 6,3 Kelvin sobre una superficie de cobre, necesita un empujón.
El láser proporciona el empujón. Explorando casi todo el rango del infrarrojo medio, el equipo midió cómo diferentes excitaciones vibratorias alteraban la tasa de conmutación entre los dos confórmeros. El espectro resultante era sorprendentemente más rico que cualquier cosa que hubieran revelado las técnicas convencionales. Además de los tramos fundamentales nitrógeno-hidrógeno y carbono-hidrógeno, el espectro mostró armónicos (el equivalente molecular de los armónicos) al doble y al triple de las frecuencias fundamentales, y bandas combinadas donde dos modos vibratorios diferentes juntaban su energía. Algunas de estas características, en particular un grupo de entre 4.500 y 5.500 números de onda atribuidos a modos que se acoplan al movimiento de fruncido de los anillos, eran completamente invisibles para los métodos infrarrojos estándar.
Esa invisibilidad es significativa. IRiSTM sigue reglas de selección diferentes a las de la espectroscopía convencional, porque la señal depende no sólo de si una vibración absorbe luz infrarroja, sino de si se traduce en un movimiento nuclear mensurable. La extensión carbono-hidrógeno, claramente visible en mediciones infrarrojas masivas, estaba ausente en el espectro IRiSTM de pirrolidina: absorbe la luz con bastante facilidad, pero la energía resultante se disipa rápidamente en otros canales sin empujar el anillo hacia su interruptor conformacional. Los matices de la deformación del anillo hacen lo contrario: sus grandes desplazamientos nucleares se acoplan directamente en la coordenada de fruncimiento, lo que los hace destacar claramente a pesar de ser débiles absorbentes en las mediciones de conjuntos.
El equipo confirmó esta imagen intercambiando hidrógenos por deuterio de manera controlada: reemplazando solo el nitrógeno-hidrógeno, o reemplazando los ocho carbono-hidrógenos, o ambos. Cada isotopólogo produjo un espectro distintivo y, lo que es más importante, cada uno de ellos pudo identificarse microscópicamente. Cuando el láser se sintonizó en el tramo nitrógeno-deuterio, sólo parpadearon las moléculas de pirrolidina N-deuterada; sus vecinos se quedaron quietos. Sintonicemos el tramo carbono-deuterio y se iluminará un subconjunto diferente. La técnica podría, en principio, identificar qué variedad de una molécula visualmente idéntica se encuentra en cualquier sitio de superficie determinado, una capacidad con obvia relevancia para estudiar catalizadores, donde la identidad química de las especies adsorbidas individuales puede determinar si una reacción se produce.
“La espectroscopia infrarroja es una de nuestras herramientas más poderosas, pero hasta ahora siempre ha sido una técnica de conjunto”, dijo Li. “Esto nos da una manera de ver, en el nivel más fundamental, cómo la energía vibratoria se acopla al movimiento molecular”.
Esa cuestión del acoplamiento ha frustrado a los químicos durante décadas. El sueño de la química selectiva de enlaces (de sintonizar un láser con una vibración específica y dirigir una reacción por un camino elegido) ha fracasado repetidamente ante la realidad de que la energía vibratoria se disipa casi instantáneamente en modos vecinos antes de que pueda realizar un trabajo útil. Comprender exactamente qué vibraciones se acoplan a qué movimientos y con qué rapidez es un requisito previo para que el control selectivo de enlaces sea práctico. IRiSTM proporciona una ventana experimental directa a precisamente esa dinámica, una molécula a la vez, en un entorno donde el entorno local puede controlarse y variarse sistemáticamente.
La superficie de cobre y las temperaturas cercanas al cero absoluto son necesidades experimentales por ahora. Pero el principio subyacente (usar conmutación conformacional o algún otro movimiento molecular como transductor para la absorción infrarroja) no se limita obviamente a las condiciones criogénicas. Queda por ver si la técnica puede eventualmente migrar a ambientes a temperatura ambiente o a moléculas de complejidad suficiente para ser directamente biológicamente relevantes. Por el momento, basta con un anillo de cinco átomos flexionado sobre una placa de cobre fría. Después de un siglo de escuchar coros moleculares, la química finalmente ha escuchado un solo.
Enlace del estudio: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adz6643
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