La magia de un microscopio electrónico de precio elevado

Los científicos consiguen visualizar los enlaces covalentes que se forman sobre una lámina de grafeno y una molécula sintética gracias a un microscopio de resolución extraordinaria.

El descubrimiento del grafeno, por sus propiedades y aplicaciones, ha supuesto una revolución para la ciencia y la tecnología. Pero visualizar los enlaces covalentes que se forman sobre una lámina de grafeno ha sido un gran reto para el grupo de investigación que dirige Gonzalo Abellán, investigador del Instituto de Ciencia Molecular de la Universidad de Valencia. Abellán comunicó los resultados de sus últimas investigaciones en una conferencia organizada por el Museo Didáctico e Interactivo de Ciencias (MUDIC) el pasado mes de noviembre.

El grafeno, considerado el material del siglo XXI, fue descubierto por los científicos Andre Geim y Konstantin Novoselov en el año 2004. Su descubrimiento les valió el premio Nobel de física en 2010. Desde entonces, ha dado mucho de qué hablar por sus propiedades y aplicaciones. Ejemplo del impacto que ha supuesto es el proyecto europeo que lleva por nombre “Graphene Flagship”, dotado con mil millones de euros, cuyo objetivo es trasladar todo lo que se sabe del grafeno a aplicaciones técnicas para la sociedad. Para el año 2022 se prevé lograr un gran número de aplicaciones. Algunas de ellas son conseguir nuevos materiales para la construcción, baterías de carga muy rápida y con gran almacenaje de energía, nuevas tecnologías para sensores y para transistores y aplicaciones biomédicas como biosensores que detecten mejor los virus y bacterias.

Solución a los problemas del grafeno

A lo largo de la charla, Abellán expuso los problemas que impiden que las aplicaciones del grafeno sean inmediatas. Uno de ellos es su baja solubilidad, por lo que una producción a gran escala, en una fábrica, es difícil de procesar y otro de ellos, que el grafeno es prácticamente inerte, no reacciona fácilmente con otras sustancias.

Gonzalo Abellán en un momento de la conferencia

Para solucionar estos inconvenientes el equipo de investigación que dirige Abellán en Alemania propuso cambiar la superficie del grafeno introduciendo moléculas sintéticas entre sus láminas para que lo hicieran más reactivo. Aunque el reto que se plantearon iba más allá: querían ver el enlace covalente que se formaba entre el grafeno y las moléculas de reactivo. Las palabras de Abellán fueron: “Este era un reto monumental. Cuando hice el máster en nanociencia me dijeron que no se podía ver enlaces covalentes con un microscopio electrónico”. Continuó diciendo: “Pero en Alemania encontré un microscopio de siete millones y medio de euros que tenía unos correctores de aberración impresionantes con los que sí se podía ver estos enlaces”.

Un microscopio de resolución extraordinaria con graves problemas de contaminación

El microscopio electrónico de alta resolución al que se refiere Abellán permite ver los átomos que forman las moléculas y es capaz de discriminar dos puntos a una distancia de 0, 05 nm, es decir, a una distancia 10 millones de veces más pequeña que medio milímetro. El problema que encontraron al utilizar este microscopio fue la contaminación de la lámina. En cuestión de milisegundos, aunque se trabajaba en ultra alto vacío, la muestra de grafeno estaba completamente contaminada por todas las moléculas que contenía el aire. Para solucionarlo utilizaron una nueva técnica que consistió en “barrer” toda la suciedad que se depositaba sobre la lámina de grafeno con una punta de wolframio, un metal de gran dureza. Este barrido electrónico con la punta de wolframio quitaba la capa de contaminación a escala de 2nm.

Una vez que encontraron la técnica para limpiar la lámina investigaron introduciendo una molécula sintética sobre la lámina de grafeno limpia con el objetivo de producir una reacción química y, lo más importante para ellos, poder verla a través del microscopio en tiempo real.

La técnica para producir esta reacción química fue complicada porque, además de la contaminación que se producía, la reacción era muy difícil de llevar a cabo. Debían trabajar en una caja seca, sin aire y sin oxígeno y producir una disolución de electrones solvatados a partir de una disolución de sodio y potasio en metoxietano. Estos electrones, extremadamente reactivos, se ponían en contacto con el grafeno de modo que conseguían que reaccionara con la molécula de reactivo que añadían. De esta manera lograron su objetivo: conseguir la reacción del grafeno y visualizar la formación de los enlaces covalentes.

Foto en la que se puede apreciar en la pantalla la imagen del enlace covalente entre el grafeno y la molécula sintética que utilizaron para producir la reacción química.

Este descubrimiento del equipo de investigación que dirige Gonzalo Abellán supone un gran avance en el mundo de la nanociencia ya que introduce un nuevo método con el que el grafeno puede ser procesado y utilizado para generar nuevas aplicaciones tecnológicas. Pero también es un avance muy importante en el campo de la química al hacerse posible la visualización de una reacción química con la formación de un enlace covalente entre carbono y carbono a través de un microscopio electrónico.

Gonzalo Abellán dirige actualmente el grupo de investigación 2D-Chem dedicado al estudio de materiales bidimensionales (2D) que forma parte del Equipo de Investigación en Materiales Moleculares del Instituto de Ciencia Molecular de la Universidad de Valencia. Parte del equipo está en Alemania, en la Universität Erlangen-Nürnberg.

Gonzalo Abellán en la presentación de las Jornadas

Las Jornadas de divulgación Científica del MUDIC siguieron durante toda la mañana en formato semipresencial con presencia de divulgadores como Rafael García Molina, Manuel Toharia y Marisa Michellini, entre otros.

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