Una reacción muy calculada

Dos granos de dos sustancias disueltos en una gota de agua forman una sociedad de miles de billones de moléculas de los dos tipos moviéndose caóticamente por todo el volumen de la gota, y provocar una reacción química en ese berenjenal viene a ser como una partida de ruleta con mil billones de jugadas simultáneas: una molécula de un tipo tiene que chocar por casualidad con una del otro tipo, y tiene que hacerlo con la energía suficiente y el ángulo adecuado, y así billones de veces. Muchas reacciones son físicamente posibles, pero tan improbables en ese caos sociológico que jamás ocurren en un tubo de ensayo: sería preciso tomar una sola molécula y forzarla a reaccionar con la otra. Pero eso es imposible, ¿no?

Ya no. José Ignacio Pascual, del Instituto de Ciencia de Materiales del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), en Barcelona, en colaboración con Nicolás Lorente, de la Universidad Paul Sabatier en Toulouse, y otros científicos de Berlín y Nueva York presentan hoy en Nature un método para hacer exactamente eso: tomar una sola molécula, excitarla de manera precisa y causar así que sufra una u otra reacción química a elección del operario. Cuando la ruleta no es favorable, nada mejor que agarrar la bola con la mano.

El experimento hace uso del microscopio de efecto túnel, un dispositivo inventado en 1981 para examinar las superficies sólidas con precisión atómica. Consiste en una minúscula punta de tungsteno situada a pocos angstroms de la superficie sólida, que en este caso es de cobre. (El angstrom, o diezmillonésima de milímetro, es la unidad de longitud más cómoda cuando se habla de dimensiones atómicas). Cuando se aplica un ligero voltaje entre la punta de tungsteno y la superficie de cobre, los electrones saltan de la primera a la segunda. Según el voltaje, estos electrones tendrán más o menos energía.

En el montaje ideado por Pascual, una molécula de amoniaco (NH3) está unida a uno de los átomos de cobre de la superficie sólida mediante un enlace químico (entre el átomo de cobre y el nitrógeno del amoniaco). La punta de tungsteno se utiliza para disparar electrones, más o menos energéticos, directamente sobre la molécula de amoniaco. Y el resultado es el siguiente.

Cuando los electrones son bastante energéticos (0,42 electronvoltios), ponen a la molécula de amoniaco en modo respiración: los tres átomos de hidrógeno, que forman una especie de cresta del nitrógeno, vibran rápidamente respecto a éste. El resultado frecuente es que la molécula de amoniaco salta desde el átomo de cobre original hasta otro próximo: una traslación.

Si los electrones son menos energéticos (0,32 electronvoltios), el amoniaco se pone en modo paraguas: la cresta formada por los tres hidrógenos se dobla como las varillas de un paraguas en un mal día de viento. Esta torsión causa que el enlace con el cobre se rompa y la molécula de amoniaco se desprenda libre.

"Con los mismos reactivos, que ocurra una u otra reacción química implica saltar barreras energéticas distintas", explica Pascual. "Con este sistema se puede elegir la barrera exacta que se quiere saltar, y esto servirá para mejorar la catálisis de las reacciones más improbables, o para posibilitarla en las hasta ahora imposibles. También se podrá investigar cada reacción en una sola molécula, y las conclusiones podrán utilizarse para diseñar mejores reacciones convencionales. Es una herramienta más de la futura nanotecnología, la manipulación de la materia a escala atómica".

Pascual ha usado un microscopio de efecto túnel especial en el Instituto Fritz-Haber de Berlín. Su intención de instalar uno en Barcelona se ha visto frustrada por una clase distinta de ruleta: los recortes de Ciencia y Tecnología.