Nanopartículas catalíticas que se comunican a distancia

Obviamente, las nanopartículas catalíticas no pueden hablar, pero en un nuevo estudio se sugiere haber descubierto cómo se comunican entre ellas. Gracias a un método que monitoriza reacciones monomoleculares en nanopartículas individuales, un grupo de investigadores ha mostrado que las reacciones catalíticas que ocurren en un centro activo de una nanopartícula pueden influir en las reacciones que tienen lugar en otro sitio activo (Nat. Chem. 2018, DOI: 10.1038/s41557-018-0022-y). Este descubrimiento amplía el conocimiento que tienen los químicos sobre la catálisis y podría llevar a nuevas maneras de mejorar la actividad de los catalizadores.

Desde hace tiempo, los investigadores conocen los denominados efectos alostéricos en enzimas. Este tipo de comunicación química colaborativa, en la que la actividad química de un sitio de la enzima se ve influenciada por la coordinación de una molécula a otro sitio activo, se lleva a cabo a través de cambios en la estructura y los enlaces de estos biocatalizadores, afectando a la vez su función.

Para determinar si los catalizadores basados en nanopartículas sólidas exhiben un tipo de comunicación química similar, un equipo liderado por Peng Chen, de la Universidad Cornell (Ithaca, Nueva York, EE.UU.), investigó meticulosamente nanopartículas tanto de oro como de paladio que catalizaban varios tipos de reacciones químicas. En estas reacciones modelo se convertían sustratos no fluorescentes en productos con elevada fluorescencia, permitiendo a los investigadores observar cómo se desarrollaba el proceso al usar técnicas de microscopia de fluorescencia de alta resolución.

Al analizar datos monomoleculares de una muestra compuesta por una enorme cantidad de nanopartículas, el equipo encontró que una reacción catalítica que ocurría en un sitio activo podía influir en la probabilidad de que la reacción llegue a ocurrir en otro sitio, ya sea de la misma partícula o de otra cercana.

Concretamente, los investigadores observaron que esta comunicación dentro partículas individuales, por la que una reacción que ocurre en un centro activo tiende a verse seguida por otra reacción en un determinado sitio activo cercano, puede abarcar cientos de nanómetros y decenas de segundos. La correlación disminuye exponencialmente al aumentar la separación entre los sitios de reacción y el tiempo entre las parejas de reacciones. Los investigadores también pudieron observar comunicación entre partículas de oro separadas por varios micrómetros, pero nunca entre partículas de oro y de paladio.

Basándose en los datos recogidos en experimentos posteriores, incluyendo algunos involucraban los voltajes aplicados, el equipo sugiere que la comunicación entre partículas se lleva a cabo mediante la difusión de moléculas del producto cargadas negativamente, promoviendo la reacción en sitios activos de otras partículas. Por el contrario, es posible que la comunicación dentro de una misma partícula proceda por medio de la migración de vacantes electrónicas, cargadas positivamente, conocidas como huecos (de electrón).

Prashant K. Jain, un especialista en catálisis de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (Illinois, EE.UU.), considera que “estos descubrimientos son interesantes”, y afirma que lo que más le sorprendió fue el hecho de que esta cooperación no esté limitada sólo a sitios activos adyacentes o cercanos entre sí, sino que alcance sitios lejanos e incluso nanopartículas separadas.

Tras preguntarse si “la comunicación entre sitios activos separados por varios cientos de nanómetros es una característica habitual en catalizadores heterogéneos”, Jain asegura que sería interesante saber qué ocurre en reacciones con más de un paso. En este juego mental, llega a hipotetizar que un producto formado en un centro activo llegase a desplazarse hasta otro centro activo, donde sería transformado en otra especie química que no podría interactuar con el primer sitio de reacción. Desde luego, respuestas detalladas a preguntas como éstas ayudarán en el futuro a los químicos en el diseño de nuevos catalizadores que sean mucho más selectivos en la formación de productos.

Researchers have long known about so-called allosteric effects in enzymes. This type of cooperative chemical communication, in which a molecule binding at one site influences chemical activity at another site on the enzyme, is driven by structural and bonding changes and affects the function of the biocatalysts.

Traducción al español producida por Greco González Miera de Divulgame.org para C&EN. La versión original (en inglés) del artículo está disponible aquí.