Un equipo de investigadores del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias y Tecnología de la Universidad de Coimbra ha utilizado micro-ondas para investigar cómo el agua afecta, a nivel microscópico, el funcionamiento de los interruptores moleculares. Los resultados de este estudio han sido publicados en dos artículos científicos en la prestigiosa revista Angewandte Chemie International Edition.
Las publicaciones son parte del proyecto denominado “MiCRoARTiS – Microwave Fingerprinting Artificial Molecular Motors in Virtual Isolation”, dirigido por el profesor Sérgio Domingos y financiado por el Consejo Europeo de Investigación (ERC). Según Domingos, los interruptores moleculares son moléculas cuya funcionalidad puede ser adaptada durante su síntesis en laboratorio, permitiendo que actúen como “nano-interruptores” que cambian su estructura tridimensional al recibir impulsos de luz con longitudes de onda específicas.
Estos dispositivos moleculares son esenciales para la creación de máquinas moleculares sintéticas, con aplicaciones potenciales en biología, medicina y nanotecnología molecular. El equipo ha investigado la relación entre la estructura tridimensional y el equilibrio energético de dos tipos diferentes de interruptores moleculares que comparten un mismo chasis pero poseen unidades móviles distintas.
Nueva técnica para estudiar estructuras moleculares
El grupo emplea una técnica avanzada de espectroscopia de alta resolución que permite observar la estructura tridimensional de estas moléculas en fase gaseosa. Utilizando un espectrómetro de micro-ondas, los investigadores irradian las moléculas y recogen su emisión para capturar su espectro rotacional.
Este espectro rotacional actúa como un “código de barras cuántico”, donde cada molécula tiene un patrón único que permite distinguir no solo diferentes especies químicas, sino también las diversas estructuras que una misma especie puede adoptar, como es el caso de los interruptores moleculares en sus estados abierto o cerrado.
Los investigadores explican que el primer paso consiste en entender cómo funcionan estos interruptores moleculares sin la influencia de otras moléculas cercanas. Posteriormente, analizan cómo se comporta el sistema al añadir agua gradualmente al interruptor molecular.
Análisis detallado del comportamiento molecular
A través del estudio minucioso del proceso de formación de una esfera de solvación, logran investigar los mecanismos preferidos a nivel microscópico y desarrollar un modelo teórico para predecir los efectos y el comportamiento dinámico del agua alrededor de las moléculas. En uno de los estudios realizados, se observó que al introducir agua en el sistema, se altera el equilibrio entre las formas abierta y cerrada del interruptor, invirtiendo así la preferencia por una u otra posición.
Esta observación es crucial porque indica cómo las propiedades del sistema pueden cambiar significativamente con la presencia incluso de unas pocas moléculas de agua. Nuno Campos, estudiante doctoral y primer autor del artículo, destaca que esta investigación también involucró colaboraciones con universidades alemanas en Hamburgo y Bochum.
En otro artículo relacionado se estudia un interruptor molecular más simple pero desafiante para muchos modelos teóricos actuales. Este trabajo subraya la importancia de no depender únicamente de predicciones teóricas, enfatizando el papel esencial que juegan las mediciones experimentales para validar información sobre sistemas moleculares complejos.
Rita Roque, investigadora del CFisUC y primera autora del segundo artículo, concluye que estos hallazgos no solo mejoran la construcción de nuevos modelos predictivos sino que también impulsan avances significativos en física teórica. Su trabajo ha sido reconocido con una mención especial como “Hot Paper” por parte del editor y seleccionado para ilustrar una portada en la mencionada revista alemana.
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