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» » Agua enjaulada en buckyballs

Referencia: eScience.News.com .
Publicado: Martes, 20 de mayo 2014

En un nuevo artículo en el Journal of Chemical Physics, de AIP Publishing, un equipo de investigación del Reino Unido y Estados Unidos describe cómo las moléculas de agua "enjauladas" en las esferas de fullerenos (“buckyballs") están proporcionando una más profunda visión de los espín isómeros, que son variedades de una molécula que difieren de su spin nuclear .

buckyballs
Los resultados de este trabajo podrán un día ayudar a mejorar la capacidad de análisis y diagnóstico de la resonancia magnética nuclear (RMN) y la imagen por resonancia magnética (IRM). Las moléculas de agua pueden existir como uno de dos isómeros, dependiendo de cómo estén orientados los espines de sus dos átomos de hidrógeno: Orto, cuando los espines son paralelos y tienen un número de espín 1, y Para, cuando los espines son antiparalelos y su número de espín es de 0. Los científicos creen que cualquier molécula dada puede transformarse desde el estado de orto a para y viceversa, un proceso conocido como conversión de espín nuclear.

"En la actualidad, los mecanismos para esta conversión no se entienden completamente ni cuánto tiempo requiere transformar las moléculas de un espín isómero al otro", apuntó Salvatore Mamone, físico postdoctoral en la Universidad de Southampton y autor principal del estudio en JCP. "Para estudiar esto, tuvimos que hallar la manera de reducir las fuertes interacciones intermoleculares que son responsables de la agregación y disminuir la movilidad rotacional de las moléculas de agua."

La respuesta fue utilizar las reacciones químicas para abrir un agujero en las esferas de fullereno (C60, también conocido como buckyball), inyectar moléculas de agua y cerrar las "jaulas" para formar el complejo referenciado como H2O@C60. "Al final de esta preparación sintética denominada "cirugía molecular" nos encontramos que del 70 al 90 por ciento de las jaulas están llenas, lo que nos da una cantidad significativa de moléculas de agua para examinar", reseñaba Mamone. "Dado que las moléculas de agua se mantienen separadas por las jaulas, existe una amplia libertad rotacional que hace posible la observación de los isómeros orto y para."

En su experimento, los investigadores enfriaron rápidamente las muestras individuales de H2O@C60 desde 50 Kelvin (-223 ºC) a 5 K (-268 ºC), entonces monitorizaron su señal de RMN cada pocos minutos durante varios días.

"A medida que la señal de RMN es proporcional a la cantidad de orto-agua de la muestra (el para-agua con su número de espín de 0 es una "RMN silente"), podemos rastrear los porcentajes de isómeros orto y para en cualquier momento y en cualquier temperatura". Mamone explicaba que, "a los 50 K nos encontramos con un 75 por ciento de moléculas de agua orto, mientras que a 5 K, se convierten en casi un 100 por ciento de para. Por lo tanto, sabemos que después de un salto rápido de temperatura, el equilibrio se restablece mediante la conversión de orto al para, y podemos verlo en tiempo real."

El sorprendente hallazgo del experimento fue que los investigadores pudieron observar la ley de la velocidad de segundo orden, en la cinética de la conversión giro demuestra que los pares de moléculas deben interactuar para que la conversión pueda ocurrir. "En estudios previos han especulado que otros espines nucleares pueden causar la conversión, pero descubrimos que este no es el caso para el H2O@C60", comentó Mamone .

El equipo de investigación planea estudiar el papel de las concentraciones de isómeros y la temperatura en el proceso de conversión, la conversión de los para-agua a los orto-agua ("conversión inversa"), la forma de detectar moléculas individuales orto-agua y para-agua en las superficies, y los isómeros de espín de otras moléculas de fullereno-enjaulado.

Además de la Universidad de Southampton, los investigadores de este estudio pertenecen a la Universidad de Columbia y la Universidad de Nottingham.


- Fuente e imagen: Instituto Americano de Física.
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