Mejores imágenes de moléculas: uso de la exclusión de Pauli en un microscopio de efecto túnel.


Cuando se emplea un microscopio de efecto túnel (MET) para observar moléculas, éstas aparecen como borrones indiferenciados. Pero una nueva investigación llevada a cabo por el equipo de Ruslan Temirov del Centro de Investigación Jülich (Alemania), cuyos resultados se han publicado en Physical Review Letters, pone de manifiesto que es posible, con una ligera modificación, que el MET dé la estructura de una molécula con mucho más detalle. En este tipo de MET se añade una molécula de hidrógeno o de deuterio a la punta de la sonda.
Un MET funciona acercando una aguja conductora (la sonda) terminada en una punta muy fina, idealmente de un sólo átomo, a un nanómetro de la superficie de la que se quiere obtener la imagen. Cuando se aplica un voltaje a la sonda los electrones fluyen entre la superficie y la sonda, y la conductancia a través de esta unión en cada punto de la superficie se mide y es lo que se usa para hacer la imagen. La conductancia depende de varios factores, incluyendo una característica de la sonda y la superficie llamada densidad de estados, que se refiere al número de estados cuánticos disponibles para los electrones en un rango de energías dado. Estos estados son análogos a los orbitales de los electrones en un átomo o en una molécula. Cuanto mayor es el número de estados, mayor es la conductancia y más brillante es la imagen en ese punto.
En un experimento anterior el grupo de Temirov descubrió que podía conseguir imágenes más detalladas si recubrían con hidrógeno molecular la punta de su sonda antes de escanear una película orgánica delgada depositada sobre la superficie de un metal. Las imágenes resultantes mostraban regiones brillantes para los átomos, separados por bordes que correspondían a los enlaces químicos entre átomos. Pero los investigadores no pudieron afirmar qué es lo que este microscopio “hidrogenado” de efecto túnel (MHET) está midiendo en realidad.
Para resolver ese problema, han repetido ahora el experimento con deuterio, un isótopo más pesado del hidrógeno. Escanearon una molécula orgánica llamada dianhídrido 3,4,9,10-tetracarboxílico-3,4,9,10-perileno (PTCDA, por sus siglas en inglés) [estructura en la imagen, abajo], debido a su facilidad para formar películas bien ordenadas cuando se deposita en superficies metálicas, en este caso en una superficie de oro. Los resultados obtenidos eran idénticos a los obtenidos usando hidrógeno. Según los investigadores los resultados de conductancia son consistentes con una sola molécula de deuterio adherida a la punta de la sonda.
Normalmente la conductancia a través de una unión de MET aumenta exponencialmente conforme la sonda se acerca a la superficie. En este experimento, sin embargo, la conductancia crecía relativamente lenta y, algunas veces, decrecía cuando la sonda se acercaba a la superficie, en el rango de alrededor de un angstrom, es decir, una décima de nanómetro. Las mediciones a partir de este rango proporcionaron unas espectaculares imágenes de alta resolución [en la imagen, arriba MET convencional, en el centro MHET, abajo la estructura de la molécula].
Los investigadores explican estos efectos a partir del principio de exclusión de Pauli, que afirma que dos electrones no pueden estar en el mismo lugar y estado cuántico a la vez. Cuando la sonda se acerca, los electrones de la molécula de deuterio son repelidos por la superficie, y sus orbitales comienzan a traslaparse con los de la sonda. Por tanto los estados electrónicos de la sonda se reordenan, lo que hace que varíe la conductancia.
Temirov y sus colegas explican que la MET convencional solamente puede comprobar estados electrónicos de la muestra que están en un rango limitado de energías, porque la energía de los estados detectados depende del voltaje aplicado. Con la MHET la conductancia también depende de la repulsión generada por el principio de exclusión de Pauli, que afecta a estados de todas las energías, por lo que da un cuadro más completo. Otros investigadores han obtenido resultados similares con microscopios de fuerza atómica, pero la MET es mucho más fácil de usar.

Referencia:
Weiss, C., Wagner, C., Kleimann, C., Rohlfing, M., Tautz, F., & Temirov, R. (2010). Imaging Pauli Repulsion in Scanning Tunneling MicroscopyPhysical Review Letters, 105 (8) DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.086103

Este artículo es la participación de Experientia docet en el X Carnaval de la Física, que este mes acoge Cienciamía.




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