El Einstein molecular
Una molécula, un sinfín de patrones: los investigadores del Empa también han encontrado ahora una solución química
¿Es posible embaldosar una superficie con una sola forma de tal manera que el patrón nunca se repita? En 2022 se descubrió por primera vez una solución matemática a este "problema de Einstein". Ahora, los investigadores del Empa también han encontrado una solución química: una molécula que se organiza en patrones complejos no repetitivos sobre una superficie. La capa aperiódica resultante podría incluso presentar propiedades físicas novedosas.
Triángulos y defectos: Debido a la quiralidad de las moléculas, las piezas triangulares nunca encajan perfectamente. Se producen defectos y desplazamientos que confieren a la superficie su aperiodicidad.
Empa
En la intersección entre las matemáticas y el oficio de alicatador se encuentra el llamado problema de Einstein. A pesar de su nombre, esta cuestión matemática no tiene nada que ver con el Premio Nobel Albert Einstein. Se pregunta: ¿Se puede alicatar sin fisuras una superficie infinita con una sola forma (un "einstein") de tal manera que el patrón resultante no se repita nunca? Este "proto-azulejo" fue descubierto por primera vez en 2022 por el matemático aficionado inglés David Smith.
Karl-Heinz Ernst, investigador de Empa, no es ni matemático ni alicatador. Como químico, investiga la cristalización de moléculas en superficies metálicas. Nunca esperó enfrentarse al problema de Einstein en su vida profesional, hasta que su estudiante de doctorado Jan Voigt le planteó los insólitos resultados de un experimento. Cuando una determinada molécula cristalizaba sobre una superficie de plata, en lugar de la estructura regular esperada, se formaban patrones irregulares que no parecían repetirse nunca. Aún más sorprendente: Cada vez que repetía el experimento, surgían patrones aperiódicos diferentes.
Como todos los buenos investigadores, Ernst y Voigt sospecharon inicialmente que se trataba de un error experimental. Pero pronto quedó claro que el extraño hallazgo era real. El siguiente paso era averiguar por qué las moléculas se comportaban de una forma tan singular. Los investigadores acaban de publicar la respuesta a esta pregunta en la revista Nature Communications.
Efectos inesperados
Ernst y Voigt están interesados en la llamada quiralidad, la "lateralidad" que caracteriza a muchas moléculas orgánicas. Aunque las estructuras quirales son químicamente idénticas, no pueden girarse entre sí, como ocurre con nuestras manos derecha e izquierda. Esta propiedad es especialmente importante en la industria farmacéutica. Más de la mitad de los medicamentos modernos son quirales. Como las biomoléculas de nuestro cuerpo, como los aminoácidos, los azúcares y las proteínas, tienen todas la misma lateralidad, los principios activos farmacéuticos también deben ser quirales. En el mejor de los casos, un medicamento con una polaridad incorrecta es ineficaz y, en el peor, incluso perjudicial.
Por ello, el control de la lateralidad durante la síntesis de moléculas orgánicas reviste un enorme interés para la química. Una de las posibilidades es la cristalización de moléculas quirales. Es un método barato, eficaz y muy utilizado, pero aún no se conoce del todo. Con su experimento, los investigadores de Empa querían profundizar en este conocimiento. Para ello, tomaron una molécula muy especial, una que cambia fácilmente su lateralidad a temperatura ambiente, algo que la mayoría de las moléculas quirales prácticamente nunca hacen.
"Esperábamos que las moléculas se dispusieran en el cristal según su lateralidad", explica Karl-Heinz Ernst, "es decir, alternándose o en grupos con la misma lateralidad". En lugar de ello, las moléculas se dispusieron aparentemente al azar en triángulos de distintos tamaños, que a su vez formaban espirales irregulares en la superficie: la estructura no repetitiva o aperiódica que los investigadores pensaron inicialmente que era un error.
De las piezas del rompecabezas a la física
Después de muchos rompecabezas, Voigt y Ernst consiguieron descifrar los patrones moleculares, no sólo a través de la física y las matemáticas, sino también probándolos con piezas de puzzle reales en el ordenador o incluso en casa, en la mesa de la cocina. La disposición de las moléculas no es completamente aleatoria. Forman triángulos que miden entre dos y 15 moléculas por lado. En cada experimento predomina un tamaño de triángulo. Es más, también había triángulos de un tamaño mayor y de un tamaño menor, pero no de otros.
"En nuestras condiciones experimentales, las moléculas 'quieren' cubrir la superficie de plata con la mayor densidad posible porque es el resultado energéticamente más favorable", explica Ernst. "Sin embargo, debido a su quiralidad, los triángulos que forman no encajan exactamente en los bordes y tienen que estar ligeramente desplazados". Los triángulos más pequeños y más grandes son necesarios para llenar la superficie de la forma más eficiente posible. Esta disposición también crea defectos en algunos lugares: pequeñas incoherencias o agujeros que pueden convertirse en el centro de una espiral.
La entropía decide
"En realidad, los defectos son desfavorables en términos de energía", prosigue Ernst. "En este caso, sin embargo, permiten una disposición más densa de los triángulos, lo que compensa la energía 'perdida'". Este equilibrio también explica por qué los investigadores nunca encontraron el mismo patrón dos veces: si todos los patrones son iguales en cuanto a su coste energético, la entropía decide.
El misterio del "Einstein molecular" está resuelto, pero ¿en qué nos beneficia? "Las superficies con defectos a nivel atómico o molecular pueden tener propiedades únicas", explica Ernst. "Para una superficie aperiódica como la nuestra en particular, se ha predicho que los electrones en ella se comportarían de manera diferente y que esto podría dar lugar a un nuevo tipo de física". Para investigar esto, sin embargo, habría que estudiar la molécula aperiódica bajo la influencia de campos magnéticos en una superficie diferente. Karl-Heinz Ernst, que se ha jubilado recientemente, deja esta tarea a otros. "Le tengo demasiado respeto a la física", sonríe el químico.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Más noticias del departamento ciencias
