Los científicos confirman la teoría de décadas de antigüedad sobre la distribución no uniforme de la densidad de electrones en moléculas aromáticas

Científicos del Instituto de Química Orgánica y Bioquímica de Praga, el Instituto de Física de la Academia Checa de Ciencias y la Universidad Palacký de Olomouc han vuelto a descubrir con éxito los misterios del mundo de las moléculas y los átomos.

Confirmaron experimentalmente la exactitud de una teoría de décadas de antigüedad que suponía una distribución no uniforme de la densidad de electrones en las moléculas aromáticas. Este fenómeno afecta significativamente las propiedades fisicoquímicas de las moléculas y sus interacciones. Esta investigación amplía las posibilidades de diseño de nuevos nanomateriales y es el tema de un artículo publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza.

El mismo equipo de autores en su estudio anterior publicado en Ciencia describió la distribución no uniforme de los electrones en un átomo, el llamado agujero σ.

Ahora los investigadores han confirmado la existencia del llamado agujero π. En los hidrocarburos aromáticos encontramos electrones en nubes por encima y por debajo del plano de los átomos de carbono. Si reemplazamos los hidrógenos periféricos con átomos más electronegativos o grupos de átomos que alejan a los electrones, las nubes originalmente cargadas negativamente se convertirán en agujeros de electrones cargados positivamente.

Los científicos han adoptado el método avanzado de microscopía electrónica de barrido y han ampliado aún más sus capacidades. El método funciona con resolución subatómica y, por lo tanto, puede generar imágenes no sólo de los átomos en las moléculas, sino también de la estructura de la capa electrónica de un átomo.

Como señala uno de los investigadores participantes, Bruno de la Torre, del Instituto Checo de Tecnología e Investigación Avanzada (CATRIN) de la Universidad Palacký de Olomouc, el éxito de la experiencia aquí descrita se debe principalmente a las excelentes instalaciones de su institución de origen y la participación de destacados estudiantes de doctorado.

«Gracias a nuestra experiencia previa con la técnica de Microscopía de Fuerza de Sonda Kelvin (KPFM), pudimos refinar nuestras mediciones y adquirir conjuntos de datos muy completos que nos ayudaron a profundizar nuestra comprensión no sólo de cómo se distribuye la carga en las moléculas sino también de qué observables se obtienen con la técnica», afirma Bruno de la Torre.

La microscopía de fuerza moderna ha sido dominio de los investigadores del Instituto de Física. No sólo en el caso de las estructuras moleculares se aprovechó al máximo la resolución espacial sin precedentes. Hace algún tiempo confirmaron la existencia de una distribución no uniforme de la densidad electrónica alrededor de los átomos de halógeno, los llamados agujeros σ.

Este logro fue publicado en 2021 por Ciencia. La investigación anterior, así como la actual, contaron con la importante contribución de uno de los científicos checos más citados en la actualidad, el Prof. Pavel Hobza del Instituto de Química Orgánica y Bioquímica de la Academia Checa de Ciencias (IOCB Praga).

«La confirmación de la existencia del agujero π, así como del agujero σ anterior, demuestra plenamente la calidad de las predicciones teóricas de la química cuántica, que han explicado ambos fenómenos durante décadas. Demuestra que pueden ser fiables incluso en por la falta de experimentos disponibles», afirma Pavel Hobza.

Los resultados de las investigaciones de los científicos checos a nivel subatómico y submolecular se pueden comparar con el descubrimiento de los agujeros negros cósmicos. También se teorizó durante décadas antes de que los experimentos confirmaran su existencia.

Una mejor comprensión de la distribución de carga de los electrones ayudará a la comunidad científica a comprender muchos procesos químicos y biológicos en primer lugar. A nivel práctico, se traducirá en la capacidad de construir nuevas supramoléculas y, posteriormente, en el desarrollo de nanomateriales avanzados con propiedades mejoradas.