Controlando el tamaño de los nanoobjetos con moléculas-guía

Las partículas metálicas del tamaño de algunos nanómetros (1 nm = 0.000000001 m), comunmente llamadas nanopartículas son entes a caballo entre el mundo submicroscópico de los átomos y moléculas, y nuestro mundo macroscópico. Estas partículas son objeto de un extraordinario interés por sus propiedades físicas inusuales, pero sin duda una de sus características más destacadas es su capacidad para catalizar un gran número de reacciones químicas.

Existen métodos muy diversos para generar nanopartículas metálicas, pero para controlar de manera adecuada sus propiedades, es necesario definir de manera precisa su tamaño. Una manera de lograrlo, es hacerlas crecer a partir de átomos individuales, bloqueando el proceso al alcanzar el tamaño deseado. Recientemente, en nuestro grupo del Instituto de Investigaciones Químicas hemos creado unas moléculas que se adhieren a la superficie de las nanopartículas, y las estabilizan impidiendo que continúe su crecimiento, y en colaboración con el Institut National des Sciences Appliquées (Tolouse, Francia), hemos investigado la capacidad de estas moléculas para dirigir el crecimiento de las nanopartículas metálicas (ver Figura).

Estas moléculas poseen una estructura especial, de manera que en uno de sus extremos poseen carga negativa, y en el otro una carga positiva. El extremo cargado negativamente ha sido diseñado de manera que cada molécula se enlaza a dos metálicos átomos contiguos, reforzando la interacción de la molécula con la superficie de la partícula. Al unirse a las partículas metálicas, la parte cargada positivamente queda expuesta al exterior. Esto hace que, vistas de cerca, las nanopartículas parezcan estar rodeadas de carga positiva, por lo cual, aunque en conjunto las nanopartículas no poseen carga neta, se repelen al acercarse a corta distancia. Este efecto contribuye a la estabilización de las nanopartículas, impidiendo que se adhieran unas a otras formando agregados.

Cuanto mayor es la disponibilidad de moléculas dipolares, antes se detiene el crecimiento de las nanopartículas. Por ejemplo, haciendo crecer nanopartículas de rutenio (un metal de transición, vecino del hierro en la Tabla Periódica) en presencia de cantidades crecientes de estas moléculas, es posible ajustar sudiámetro medio desde 1.3 a 1.0 nm. Aunque la diferencia de 0.3 Å parece pequeña, implica que podemos elegir entre tamaños comprendidos entre aproximadamente 600 y 250 átomos.

Para medir cómo influye el tamaño de las nanopartículas en su eficacia como catalizadores, hemos utilizado una reacción química bien conocida, la hidrogenación del estireno. El estireno (A en la figura) es una molécula que tiene dos fragmentos bien diferenciados, un anillo de benceno y un doble enlace. La hidrogenación de esta molécula comienza en el doble enlace, dando etilbenceno (B), y pude continuar hasta eliminar todas las insaturaciones (C). La capacidad para detener la hidrogenación en B mide el grado de control o selectividad con la que actúa el catalizador.

En nuestro experimento, hemos podido comprobar que la velocidad de la hidrogenación del doble enlace (es decir, el paso de A a B) se mantiene aproximadamente constante al pasar de las nanoparticulas de 1.3 nm a las de 1.0 nm, pero la segunda etapa (C a D) se hace más lenta. Debido a esta diferencia de velocidad, las nanopartículas más pequeñas permiten detener la hidrogenación en C: son catalizadores más selectivos. Para comprender la causa de esta diferencia, tenemos que imaginarnos cómo la molécula de estireno interacciona con las nanopartículas. Las nanopartículas más grandes presentan superficies de mayor tamaño, que acomodan tanto al doble enlace como el anillo de benceno, y por eso ambas partes se hidrogenan rápidamente. En cambio, el anillo de benceno encuentra más dificultad por su tamaño para fijarse sobre las caras de las nanopartículas más pequeñas, que por tanto hidrogenan este fragmento con mayor lentitud