Un microscopio con una aguja extrafina explora la superficie del agua

Un equipo de investigadores de Japón, utilizando lo que problablemente es la aguja más fina del mundo, ha logrado pinchar las primeras pocas capas de moléculas de agua próximas a la superficie de un material sólido y han descubierto que son extrañamente elásticas. El hallazgo implica que las proteínas y otras biomoléculas pueden ser influenciadas por las moléculas de agua que tengan a su alrededor, que están dispuestas de forma más ordenada que en el resto del líquido. Los resultados del experimento se han dado a conocer en la revista Journal of Physical Chemistry (6 de julio de 2000).

Para el experimento, Suzanne Jarvis (Centro Conjunto de Investigación para la Tecnología Atómica, en Tsukuba) y sus colegas han utilizado un microscopio de fuerzas atómicas. Con él han medido la fuerza necesaria para clavar una aguja en una capa de agua que está justo por encima de una superficie recubierta con una película de moléculas orgánicas. Así han descubierto que esa fuerza oscila, alternando las subidas y bajadas a medida que la punta de la aguja avanza por la superficie.Este comportamiento, por sorprendente que pueda parecer en una aguja que penetra en un líquido, lo habían predicho experimentos anteriores. En las proximidades de un obstáculo como una pared o una superficie, los líquidos dejan de parecer un medio desordenado e informe en el que las moléculas se mueven al azar y las moléculas se ordenan en capas dispuestas paralelamente a la superficie. Una barrera impenetrable las obliga a adoptar una estructura más ordenada.

El orden disminuye rápidamente a medida que aumenta la distancia de la superficie. La primera capa está bien definida, la segunda está un poco más borrosa, en la cuarta o quinta capa han desaparecido toda traza de orden y las moléculas ocupan posiciones al azar. Cuando un líquido está organizado en una estructura de capas tiene propiedades similares a las de un material sólido.

Si dos superficies planas separadas por un líquido son apretadas, esas superficies se van comprimiendo antes de que entren en contacto. Esto significa que la fuerza requerida para apretar las superficies oscila, aumentando y disminuyendo abruptamente a medida que se elimina cada capa de moléculas que intervienen en el proceso.

Estas oscilaciones se habían observado ya en casos en que la región de contacto entre las dos superficies tenía el tamaño de una célula bacteriana (muchas millonésimas de diámetro). Jarvis y sus co-legas querían ver si pasaba lo mismo cuando el área era mucho menor, del tamaño de una proteína.

Esto es importante porque la cubierta de agua que rodea una biomolécula como una proteína puede influir en la forma en que interactúa con otra molécula similar en la célula. Experimentos anteriores habían sugerido que las proteínas están rodeadas por una cubierta de agua estructurada. Pero hasta ahora nadie había medido las fuerzas que actúan entre las superficies a escala molecular.

El microscopio que han usado los investigadores de Tsukuba es una punta microscópica, muy afilada, de forma piramidal sujeta a un brazo, como la aguja de un tocadiscos. Las fuerzas que actúan en la punta a medida que se acerca a la superficie doblan el brazo. Esta flexión puede ser medida con gran precisión y así deducir la cantidad de la fuerza.

La punta normal de un microscopio de fuerza atómica, aunque sea muy fina, tiene un tamaño superior al de la molécula. Por eso Jarvis y sus colegas pusieron una molécula rígida, un nanotubo de carbono, en la punta del instrumento. Este tubo hueco de carbono puro está sellado por ambos extremos con tapas de pocos nanómetros (millonésimas de milímetro) de diámetro, aproximadamente el tamaño de una molécula mediana. La mejora lograda es como poner un mástil en el pico de una pirámide egipcia.

En el experimento, los científicos midieron la fuerza necesaria para acercar el nanotubo de la punta a una superficie de oro cubierta con un tapiz de moléculas orgánicas y todo ello metido en agua. Jarvis y sus colegas explican que la fuerza aumenta a medida que la aguja presiona en las capas de agua estructurada. La penetración en cada capa se aprecia por un aumento y una caída brusca de la fuerza.

© Nature News Service