Según un nuevo estudio realizado por investigadores de la UCLA, la Universidad Estatal de Arizona, Penn State, el MIT y la Technische Universität Dresden, la fuerza del acoplamiento entre los espines atómicos depende de la quiralidad o lateralidad de la molécula. El estudio también reveló que en las moléculas quirales de una determinada orientación (ya sea una molécula diestra o zurda), los espines nucleares se alinean en una dirección específica. En las moléculas diestras con antiqueratinas, el espín se alinea en la dirección opuesta.
Este descubrimiento, publicado en Comunicaciones de la naturalezaes importante porque durante décadas se creyó que tales acoplamientos no se veían afectados por la quiralidad.
Este conocimiento se puede utilizar para investigar la lateralidad de las moléculas cuando interactúan con otras moléculas, lo que podría revelar si quiralidades específicas conducen a resultados diferentes. Estas interacciones también pueden proporcionar información sobre el papel del espín de los electrones en la química y la biología, ya que el espín atómico puede servir como un indicador indirecto del espín de los electrones.
El núcleo de un átomo está formado por protones y neutrones unidos, cada uno con una propiedad cuántica llamada “espín”. Esta rotación crea un campo magnético, similar a una barra magnética o una corriente eléctrica giratoria. Cuando los núcleos magnéticos están cerca, cada núcleo afecta el giro del otro. Esto se llama acoplamiento espín-espín y es similar a dos imanes que se mantienen unidos.
Estos estados de espín acoplados se utilizan en una variedad de aplicaciones, como la química, para determinar la estructura molecular, y en la investigación biomédica, en una técnica llamada imágenes espectroscópicas de resonancia magnética o MRSI. La MRSI puede ser una herramienta valiosa en el diagnóstico y la investigación clínicos al medir la concentración de ciertas sustancias químicas en los tejidos.
La dirección del campo magnético creado por el espín nuclear es como una flecha que apunta. Sin embargo, a diferencia de la aguja de una brújula que siempre apunta al norte, la dirección del giro nuclear (conocida como estado de giro) puede apuntar hacia arriba, hacia abajo o en otras direcciones. Esta orientación puede variar entre diferentes moléculas de la muestra y puede verse influenciada o controlada por campos magnéticos externos, átomos y moléculas vecinos, así como campos de radiofrecuencia aplicados externamente.
La orientación del estado del espín es importante porque afecta la forma en que se pueden utilizar los espines nucleares en las aplicaciones. Comprender los factores que afectan los estados de espín, como los acoplamientos espín-espín, y cómo controlarlos ha sido un área de estudio importante para los científicos.
Desde 1999, los científicos saben que la quiralidad, una de las propiedades más fundamentales de algunas moléculas, tiene un poderoso efecto sobre el estado de espín, pero se pensaba que no tenía ningún efecto sobre el acoplamiento. La quiralidad se refiere a la propiedad geométrica de las moléculas en la que el mismo conjunto de átomos se puede organizar en dos configuraciones distintas que son imágenes especulares no superponibles entre sí, como la izquierda y la derecha.
Así como las manos izquierda y derecha no pueden alinearse perfectamente mediante ninguna combinación de traslación y rotación, estas imágenes especulares, conocidas como enantiómeros, son idénticas en estructura pero diferentes de otras moléculas quirales y entornos diferentes en interacción.
Una nueva investigación muestra que la lateralidad afecta la forma en que se acoplan los espines nucleares magnéticos. Aunque el efecto es sutil y pequeño, sigue siendo lo suficientemente grande como para detectarlo en experimentos. Esta es la primera demostración de que los efectos magnéticos netos dentro de una molécula pueden contribuir al acoplamiento espín-espín nuclear.
“Descubrimos que el acoplamiento entre los espines atómicos puede ser diferente dependiendo de si la molécula es diestra o zurda”, dijo el autor correspondiente y profesor de química de la UCLA, Louis Bouchard. “La quiralidad varía entre las formas. Nos sorprendió descubrir que La quiralidad en realidad cambia estos pares. Nuestros hallazgos pueden usarse potencialmente para probar moléculas en función de su quiralidad”.
Debido a que se puede detectar la quiralidad y manipular las reacciones químicas, Bouchard sugiere que se pueden utilizar técnicas sensibles al espín atómico como sensores que no perturban las reacciones químicas que involucran grupos quirales. Esto permitirá la observación y análisis de la reacción a medida que ocurre. Una aplicación potencial es el desarrollo de sensores espectroscópicos pasivos para sistemas biológicos.
“Necesitamos mejores formas de investigar los estados de los electrones y los espines en los sistemas químicos y biológicos”, afirmó Bouchard. “Este descubrimiento añade una nueva herramienta a las cajas de herramientas de la química y la bioquímica, lo que nos permite diseñar estudios que investiguen los estados de espín durante las reacciones químicas”.
