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El despertar de la Fuerza: Las fuerzas moleculares. ¿Cómo se mantienen unidos los nanomateriales?

Según la RAE, la fuerza describe la fortaleza, la robustez, el poder y la habilidad para sacar o desplazar de lugar a algo o a alguien que posea peso o que ejerza resistencia. La Fuerza siempre ha sido muy importante en general, aunque dicen que vale más maña que fuerza. A partir de la Fuerza existe una gran saga, Star Wars y a partir de ciertas fuerzas, las fuerzas moleculares, los compuestos nanométricos adquieren todo su esplendor

¿Cuáles son con las fuerzas principales que mantienen estables los compuestos nanométricos?

Los compuestos nanométricos están formados normalmente por pocos centenares o miles de átomos. Se presentan en forma individual o en forma de aglomerados y se suelen encontrar en forma de polvo, de suspensión líquida, en forma de gel, etc.

Fuerzas presentes en la naturaleza

Existen diferentes fuerzas presentes en la naturaleza, por ejemplo tenemos que los compuestos suelen mantenerse estables gracias a enlaces químicos (iónicos, covalentes, metálicos, etc), o también nos encontramos con las fuerzas gravitacionales, las cuales son responsables de la atracción entre la Tierra y la Luna, o de la dinámica de todo el sistema solar.

Las fuerzas implicadas en el mundo nano: Las fuerzas moleculares

En el caso de los compuestos nanométricos, las fuerzas que imperan, suelen ser fuerzas moleculares, más conocidas como fuerzas de Van der Waals. Son de naturaleza omnipresente y se cree que juegan un papel crucial en la determinación de la estructura, estabilidad y función de una amplia variedad de sistemas en los campos de la biología, la química, la física y la ciencia de los materiales. En otras palabras, cada sistema molecular y cada material en la naturaleza experimenta estas fuerzas, por ejemplo, están presentes en las interacciones de proteínas y fármacos, la estabilidad de la doble hélice del ADN e incluso en las peculiares propiedades de adhesión de las garras del gecko.

Cuando se las compara con un enlace covalente (que implica el intercambio de pares de electrones entre átomos), las fuerzas de Van der Waals son relativamente débiles y surgen de interacciones electrostáticas instantáneas entre las nubes electrónicas fluctuantes que rodean a los objetos microscópicos. Sin embargo, estas fuerzas tienen un origen mecánico-cuántico y han planteado un desafío sustancial para su correcto entendimiento. ¿Por qué como explicamos la cuántica? Nosotros lo intentamos….

Dos corrientes, dos explicaciones

Existen dos corrientes diferentes para explicar su comportamiento, por un lado, la mayoría de los químicos y biólogos la explican a partir de la imagen de dos dipolos eléctricos inducidos, similares a los polos N y S de un imán, que representan las distribuciones desiguales de cargas positivas y negativas.

Así, como las moléculas no tienen carga eléctrica neta, a consecuencia de la dinámica cuántica se puede producir una distribución en la que haya mayor densidad de electrones en una región respecto a otra, por lo que aparece un dipolo momentáneo. Cuando dos de estas moléculas polarizadas y orientadas convenientemente se acercan lo suficiente entre ambas, puede ocurrir que las fuerzas eléctricas atractivas sean lo bastante intensas como para crear uniones intermoleculares Así, aunque estos átomos sean eléctricamente neutros, e incluso escasamente reactivos, pueden atraerse entre sí (en ausencia de cualquier otra interacción) debido a estas fuerzas moleculares e incluso condensarse en sólidos, aunque no exista enlace químico entre las partículas. Por otro lado, la imagen expuesta por muchos físicos se centra en el hecho de que las fluctuaciones onduladas de vacío son responsables de las interacciones de van der Waals entre los objetos macroscópicos más grandes.

Todas las fuerzas intermoleculares en la nanoescala dependen de la orientación relativa de las moléculas. Así, las interacciones de inducción y dispersión son siempre atractivas, sin importar su orientación, pero el signo de la interacción cambia con la rotación de las moléculas. Esto hace que la fuerza electrostática pueda ser atractiva o repulsiva, dependiendo de la orientación mutua de las moléculas.

Fuerzas moleculares y su importancia en la reactividad

Como consecuencia de estas fuerzas atómicas y moleculares, desde el punto de vista de la reactividad química, esta aumenta considerablemente al acercarnos a las dimensiones nanométricas. Esta aproximación es muy importante, ya que a medida que nuestra comprensión y control de las interacciones intra e intermoleculares se amplía, es posible sintetizar y ensamblar sistemas moleculares cada vez más complejos que son capaces de realizar trabajos o completar tareas sofisticadas a escala molecular. Es decir, es posible seguir implementando las máquinas moleculares, sistemas dinámicos que comprenden una clase de movimientos asombrosamente diversos y que están diseñados para responder a una gran cantidad de estímulos externos. El control de las fuerzas de interacción moleculares permitirá un ensamblaje controlable y jerárquico de estos componentes moleculares con efectos cuantificables en las escalas micro, meso y macro.

y con esto concluimos el último post del 2017, espero que os haya gustado. De cara al 2018, intentaremos mantener mayor regularidad e intentaremos seguir aportando nuestro granito de arena a dar luz y hacer más comprensible el invisible mundo nano