Más empinado que un microscopio: cómo escanear la topografía de una molécula

Dicen, "el dinero ama el silencio", y, probablemente, Suiza es una de las mejores ilustraciones para esta tesis. El silencio, la medición y la riqueza prevalecen en las orillas del lago de Zúrich, donde, en medio de las pintorescas montañas, vive una parte de la humanidad muy rica. Sin embargo, es interesante que el mismo entorno sea perfectamente (a juzgar por los resultados) adecuado para la gran ciencia. Aquí, en Zurich, en el área de Rüschlikon desde mediados de los años 50 del siglo pasado, se ha localizado uno de los once laboratorios de IBM hasta la fecha.

A pesar de que el nombre de la corporación está fuertemente asociado con la mayoría de las computadoras, el equipo científico multinacional Z? IBM Research realiza investigaciones en una variedad de áreas, incluidas aquellas relacionadas con los fundamentos fundamentales del ser.

Fue el microscopio de fuerza atómica lo que hizo posible por primera vez "tocar" el relieve de las moléculas químicas y obtener una imagen clara de su estructura. AFM ahora estudia los enlaces atómicos, así como la distribución de carga y otros procesos intramoleculares.

Un complejo de edificios de baja altura pintados de blanco, un diseño interior elegante pero sin pretensiones, sótanos para laboratorios donde el equipo ama el silencio incluso más que el dinero en los bancos suizos. Los laboratorios, por cierto, no dan la impresión de ser muy espaciosos: no hay suficiente espacio libre para caminar. Al principio, era difícil creer que era precisamente bajo tales condiciones que se estaba logrando una gran ciencia.

No mas puño

Aquí hay un laboratorio donde usan microscopía de baja temperatura usando túneles de exploración de túnel (STM) y de fuerza atómica (AFM), muy pequeños. Pero fue precisamente aquí, en estas paredes, que por primera vez logramos obtener una imagen clara de la estructura química de la molécula. Esto se anunció en el otoño de 2009, y luego se presentó al público una imagen clara de la molécula de pentaceno, un compuesto orgánico en la estructura molecular del cual hay cinco anillos hexagonales de benceno, que, por supuesto, se veían muy espectaculares.

El diagrama muestra el dispositivo de uno de los tipos de microscopio de fuerza atómica para el estudio de tejidos vivos.

En realidad, los átomos se podían ver con la ayuda de potentes microscopios electrónicos antes, el problema siempre era que no era posible fijar enlaces interatómicos: son demasiado débiles. Usando AFM, el problema fue resuelto.

El laboratorio está equipado bajo tierra: casi no hay vibraciones del suelo y del edificio. Lo que se nos muestra como microscopio es un conjunto de una cámara esférica y dos cámaras cilíndricas, todas juntas de un metro y medio de altura. "De hecho, el microscopio en sí no es tan grande", explica el personal del laboratorio. "Es del tamaño de un puño humano". El resto del diseño sirve para realizar tres tareas. En primer lugar, las superficies en las que se estudian las muestras requieren ultra pureza, y esta pureza debe mantenerse a lo largo de los experimentos a largo plazo. Para hacer esto, usando una bomba en la cámara donde se coloca el microscopio, se crea un alto vacío.

En segundo lugar, las moléculas que son los objetos de estudio exhiben fluctuaciones rápidas a temperatura ambiente, y para "calmar" el medicamento, es necesario enfriar la cámara a cero casi absoluto (5 K, menos 268 ° C). Para hacer esto, use helio líquido contenido en el cilindro de cromo. En tercer lugar, dado que algunas vibraciones espurias todavía están presentes en la sala de laboratorio, hay un sistema especial de suspensión de microscopio dentro de la cámara que amortigua estas vibraciones.

Sentimos monóxido de carbono

Se crearon dos tipos de microscopios de sonda de exploración: STM y AFM, dentro de las paredes del laboratorio de IBM en Zúrich, y el alemán Gerd Karl Binnig y el suizo Heinrich Rohrer, galardonado con el Premio Nobel de 1986, se convirtieron en los fundadores de estos desarrollos. Si un microscopio óptico funciona con luz reflejada por un objeto, y un microscopio electrónico lo "ilumina" con una corriente de electrones, entonces sucede algo más en el caso de los microscopios de exploración. La sonda AFM, que es una palanca móvil (voladizo) con una aguja (un cono microscópico, la parte afilada que mira al objeto de estudio), como si sintiera la estructura de los átomos y las moléculas, al igual que una persona ciega lee las protuberancias del Braille.

La aguja, que experimenta las fuerzas de interacción con los átomos debido a la distancia ultra pequeña, lee el relieve de la superficie, lo que conduce a vibraciones en voladizo. A su vez, se registran, por ejemplo, mediante un sensor láser, cuyos datos se convierten en una imagen.

Si hablamos de un microscopio de túnel de exploración, se aplica un voltaje a la aguja de la sonda y se lee el alivio de la superficie debido a un cambio en los parámetros de la corriente que fluye entre la aguja y el fármaco de prueba como resultado del efecto de túnel cuántico. La magnitud de la corriente, en particular, depende de la densidad en ese punto de la muestra de prueba, sobre la cual apunta la aguja de la sonda.

Al mismo tiempo, todo el proceso no es tan rápido: escanear un objeto puede llevar hasta 20 horas. Además, la tecnología requiere un sistema de barrido de precisión y, lo que es más importante, la punta de la sonda se acerca al tamaño del objeto en estudio. Idealmente, este consejo debería consistir en una sola molécula, y esto es exactamente lo que IBM logró lograr.

Y comenzó así: los intentos de escanear la molécula de pentaceno ya mencionada con AFM terminaron con el hecho de que la fuerza electrostática y la fuerza de van der Waals que surgen entre la aguja y la muestra destruyeron la molécula. Entonces fue posible recoger con una aguja una molécula de monóxido de carbono (CO), conocida en la vida cotidiana como "monóxido de carbono", que se convirtió en una verdadera "punta". Debido a las propiedades de ambas moléculas, se compensó el efecto de las fuerzas que impiden el escaneo.

Por lo tanto, la molécula de pentaceno se escaneó con una resolución muy alta. Aquí, sin embargo, también hay una cierta limitación de este método, porque el truco con la molécula de monóxido de carbono no funcionará si la molécula del fármaco tiene una composición diferente, es decir, cada vez que tenga que buscar su solución.

Para el posicionamiento preciso de una muestra con dimensiones a nanoescala, la instalación británica utiliza una cámara de vacío ultraalta y cuatro microscopios de túnel. La máquina está diseñada para el desarrollo, montaje, prueba y reparación de estructuras nanomecánicas, es decir, tiene un valor no científico, sino científico y aplicado.

Adiós al silicio

Pero todo esto es ayer. Ya el año pasado, los científicos de IBM investigaron con la ayuda de AFM una molécula de nanografía y recibieron no solo una imagen de estructura, sino también una imagen clara y el orden de los enlaces atómicos dentro de la molécula. Resultó que estos enlaces no solo varían en fuerza, sino que también tienen diferentes longitudes. La investigación de AFM también involucró una molécula de bucksminsterfullereno, un compuesto alotrópico de carbono de 60 átomos con forma de bola y que recuerda las bolas y cúpulas geodésicas inventadas por el arquitecto estadounidense Buckminster Fuller. Todos estos estudios también utilizaron una aguja de sonda con una molécula de monóxido de carbono como punta.

En un microscopio de exploración de túnel, la aguja de la sonda se mueve sobre la muestra aproximadamente al mismo diámetro atómico. Entre la punta de la aguja (a la que se aplica voltaje) y la superficie de la muestra, surge una corriente de electrones, una corriente de túnel. Un microscopio de túnel de exploración abrió el universo de relieves de nanomundo para las personas, y sus creadores recibieron el Premio Nobel.

Por supuesto, los experimentos con microscopios de sonda, siempre que se realicen dentro de los muros de los laboratorios de IBM, tienen una cierta relación con las perspectivas de la industria informática. El hecho es que los nuevos materiales basados ​​en carbono, en particular el grafeno, se consideran como el futuro reemplazo de silicio para futuros chips electrónicos.

En este sentido, de particular importancia es el desarrollo de métodos para la manipulación de dichos materiales prácticamente a nivel atómico. Por cierto, en 2012, IBM anunció la creación de memoria magnética, una de las cuales tendrá una base material en forma de solo 12 átomos. Es cierto que tal ensamblaje hoy en día es de naturaleza puramente experimental y funciona a temperaturas ultrabajas utilizando un microscopio de sonda.

Si aparece una protuberancia en la superficie, la distancia a la aguja disminuye, la corriente aumenta, y para llevarla a un nivel predeterminado y mantener una distancia dada, la aguja se mueve hacia arriba. Estos movimientos ondulantes se suman a una imagen en relieve en 3D.

Por lo tanto, es difícil esperar que la memoria de 12 átomos pueda aparecer en dispositivos de aplicación en el futuro previsible. ¿Es posible almacenar información con un solo átomo? Teóricamente, tal oportunidad existe.

Oro guiado

El microscopio de exploración de túnel no permite obtener escaneos superfinos de moléculas como AFM, pero su ventaja es la posibilidad de una influencia activa en la molécula del fármaco. En el laboratorio de IBM en Zurich, se nos muestran los resultados de un experimento de manipulación de un solo átomo. Los átomos de oro adsorbidos (es decir, los átomos colocados en una superficie cristalina en la que no pueden difundirse) se encuentran en una película delgada de cloruro de sodio (cloruro de sodio), que, a su vez, recubre el revestimiento de cobre. Todos los átomos en la imagen parecen círculos claros sobre un fondo gris.

Ahora la aguja de la sonda se lleva a un átomo y se aplica voltaje. Los átomos se escanean nuevamente, y la imagen resultante muestra claramente que el que se sometió a manipulación adquirió un halo oscuro claramente visible. Que paso

Un átomo que antes era neutral, recibió un electrón adicional del microscopio, y con él una carga negativa. "En este estado", explica un empleado de laboratorio de IBM, "un átomo, en principio, puede ser indefinidamente largo. Pero nada impide usar el mismo microscopio para devolverlo a un estado neutral ". Y si podemos controlar dos estados de un determinado objeto, cambiando un estado a otro en cualquier momento y por nuestro propio libre albedrío, entonces, ¿qué es esto, si no una celda lógica preparada con una capacidad de un bit?

El artículo "Espacio en la aguja" fue publicado en la revista Popular Mechanics (No. 1, enero de 2013).

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