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Los investigadores registran la ruptura de un solo enlace químico: «Increíble»

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Les chercheurs ont mesuré les forces mécaniques appliquées pour rompre une liaison entre le monoxyde de carbone et la phtalocyanine de fer, qui apparaît sous la forme d’une croix symétrique dans les images de microscope à sonde à balayage prises avant et après la rupture de la fianza. Crédito: Pengcheng Chen et al.

Usando técnicas avanzadas de microscopía para Universidad de Princeton, los investigadores han registrado la ruptura de un solo enlace químico entre un carbono átomo y un átomo de hierro en diferentes moléculas.

El equipo utilizó un microscopio de fuerza atómica (AFM) de alta resolución que operaba en un entorno controlado en el Centro de Análisis e Imágenes de Princeton. La sonda AFM, cuya punta termina con un solo átomo de cobre, se acercó gradualmente al enlace hierro-carbono hasta que se rompió. Los investigadores midieron las fuerzas mecánicas aplicadas en el momento de la falla, que era visible en una imagen capturada bajo un microscopio. Un equipo de la Universidad de Princeton, la Universidad de Texas-Austin y ExxonMobil informó los resultados en un artículo publicado el 24 de septiembre de 2021 en Comunicación de la naturaleza.

«Es una imagen asombrosa: poder ver una sola molécula pequeña en una superficie con otra unida a ella es asombroso», dijo el coautor Craig Arnold, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial de Susan Dod Brown y director del Instituto de Materiales de Princeton Ciencia y Tecnología (PRISM).

“El hecho de que podamos caracterizar este vínculo en particular, tanto tirando de él como empujándolo, nos permite comprender mejor la naturaleza de este tipo de vínculos, su fuerza, su interacción, y eso tiene todo tipo de implicaciones, especialmente para catálisis, donde tienes una molécula en una superficie y luego algo interactúa con ella y hace que se descomponga ”, dijo Arnold.

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Nan Yao, investigador principal del estudio y director del Centro de Análisis e Imágenes de Princeton, señaló que los experimentos también revelaron cómo la ruptura de enlaces afecta las interacciones de un catalizador con la superficie en la que se absorbe. El diseño mejorado de los catalizadores químicos es relevante para la bioquímica, la ciencia de los materiales y las tecnologías energéticas, agregó Yao, quien también es profesor en ejercicio e investigador principal en PRISM.

En los experimentos, el átomo de carbono era parte de una molécula de monóxido de carbono y el átomo de hierro provenía de la ftalocianina de hierro, un pigmento común y un catalizador químico. La ftalocianina de hierro está estructurada como una cruz simétrica, con un solo átomo de hierro en el centro de un complejo de anillos conectados basados ​​en nitrógeno y carbono. El átomo de hierro interactúa con el carbono del monóxido de carbono, y el hierro y el carbono comparten un par de electrones en un tipo de enlace covalente conocido como enlace dativo.

Yao y sus colegas utilizaron la punta de la sonda a escala atómica del instrumento AFM para romper el enlace hierro-carbono controlando con precisión la distancia entre la punta y las moléculas unidas, hasta incrementos de 5 picómetros (5 mil millonésimas de milímetro). La ruptura ocurrió cuando la punta estaba 30 picómetros por encima de las moléculas, una distancia que es aproximadamente una sexta parte del ancho de un átomo de carbono. A esta altura, la mitad de la molécula de ftalocianina de hierro se volvió más borrosa en la imagen AFM, lo que indica el punto en el que se rompió el enlace químico.

Los investigadores utilizaron un tipo de AFM conocido como sin contacto, en el que la punta del microscopio no contacta directamente con las moléculas que se están estudiando, sino que utiliza cambios en la frecuencia de vibraciones a pequeña escala para construir una imagen de la superficie del moléculas.

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Al medir estos cambios de frecuencia, los investigadores también pudieron calcular la fuerza necesaria para romper el enlace. Una punta de sonda de cobre estándar rompió el enlace hierro-carbono con una fuerza de atracción de 150 piconewtons. Con otra molécula de monóxido de carbono unida a la punta, el enlace fue cortado por una fuerza repulsiva de 220 piconewtons. Para profundizar en la base de estas diferencias, el equipo utilizó métodos de simulación cuántica para modelar los cambios en las densidades de electrones durante las reacciones químicas.

El trabajo aprovecha La tecnología AFM avanzó por primera vez en 2009 para visualizar enlaces químicos simples. La rotura controlada de un enlace químico utilizando un sistema AFM fue más difícil que estudios similares de formación de enlaces.

«Es un gran desafío mejorar nuestra comprensión de cómo se pueden llevar a cabo reacciones químicas manipulando átomos, es decir, con la punta de un microscopio de sonda de barrido», dijo Leo Gross, que dirige el grupo de investigación de manipulación de átomos y moléculas en IBM. Research en Zurich, y fue el autor principal del 2009 para estudiar quien resolvió por primera vez la estructura química de una molécula por AFM.

Al romper un enlace particular con diferentes puntas que utilizan dos mecanismos diferentes, el nuevo estudio ayuda a «mejorar nuestra comprensión y control de la escisión de enlaces mediante la manipulación de átomos». Se suma a nuestro conjunto de herramientas para la química manipulada por átomos y representa un paso adelante en la fabricación de moléculas diseñadas de complejidad creciente ”, agregó Gross, que no participó en el estudio.

Las experiencias son extremadamente sensibles a las vibraciones externas y otros factores de confusión. El instrumento AFM especializado del Centro de imágenes y análisis está alojado en un entorno de alto vacío, y los materiales se enfrían a una temperatura de 4 Kelvin, unos pocos grados por encima. cero absoluto, utilizando helio líquido. Estas condiciones controladas dan medidas precisas al garantizar que los estados de energía y las interacciones de las moléculas solo se vean afectados por manipulaciones experimentales.

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“Necesita un sistema realmente bueno y limpio porque esta reacción puede ser muy complicada, con tantos átomos involucrados, es posible que no sepa qué enlace está rompiendo en una escala tan pequeña”, dijo Yao. «El diseño de este sistema simplificó todo el proceso y aclaró lo desconocido» al romper un enlace químico, dijo.

Referencia: «Rompiendo un vínculo dativo con fuerzas mecánicas» por Pengcheng Chen, Dingxin Fan, Yunlong Zhang, Annabella Selloni, Emily A. Carter, Craig B. Arnold, David C. Dankworth, Steven P. Rucker, James R. Chelikowsky y Nan Yao, 24 de septiembre de 2021, Comunicación de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-021-25932-6

Los autores principales del estudio fueron Pengcheng Chen, investigador asociado de PRISM, y Dingxin Fan, estudiante de doctorado en la Universidad de Texas-Austin. Además de Yao, otros autores correspondientes fueron Yunlong Zhang de ExxonMobil Research and Engineering Company en Annandale, Nueva Jersey, y James R. Chelikowsky, profesor de UT Austin. Además de Arnold, los otros coautores de Princeton fueron Annabella Selloni, profesora de química David B. Jones, y Emily Carter, profesora Gerhard R. Andlinger ’52 en energía y medio ambiente. Los otros coautores de ExxonMobil fueron David Dankworth y Steven Rucker.

Este trabajo fue apoyado en parte por ExxonMobil a través de su membresía en Princeton E-ffiliates Partnership del Andlinger Center for Energy and the Environment. El Centro de Imágenes y Análisis de la Universidad de Princeton cuenta con el apoyo en parte del Centro de Materiales Complejos de Princeton, un centro de investigación de ingeniería y ciencia de los materiales de la Fundación Nacional de Ciencias. La Fundación Welch y el Departamento de Energía de EE. UU. Proporcionaron apoyo adicional.

Experiencia en periódicos nacionales y periódicos medianos, prensa local, periódicos estudiantiles, revistas especializadas, sitios web y blogs.

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Dos importantes institutos espaciales de África se unen al proyecto lunar liderado por China

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Dos importantes institutos espaciales de África se unen al proyecto lunar liderado por China

El 5 de abril, Hu Chaobin, subdirector del Laboratorio de Exploración del Espacio Profundo de China, firmó el memorando de entendimiento con la directora del SSGI, Abdissa Yilma, en la capital etíope de Addis Abeba, según la cuenta oficial de WeChat del laboratorio.

Durante su reunión, Yilma dijo que el instituto participará activamente y promoverá la construcción del ILRS. Mientras tanto, Hu dijo que esperaba que el proyecto ayudara a impulsar el desarrollo del sector aeroespacial y las tecnologías de exploración espacial de Etiopía.

Hu Chaobin, subdirector del Laboratorio de Exploración del Espacio Profundo de China, con Jennifer W. Khamasi, directora interina de KAIST, en la firma del memorando de entendimiento a principios de este mes. Foto: X/@AJ_FI

Luego, el 8 de abril, Hu firmó el memorando de cooperación con la directora interina del KAIST, Jennifer W. Khamasi, durante su visita a Konza Techno City, al sur de Nairobi.

El presidente de la junta directiva de KAIST, Emmanuel Mutisya, que también estuvo presente en la reunión, dijo que el instituto se beneficiaría de las oportunidades de investigación y educación generadas por la colaboración. con el ILRS. También le dijo a Hu que KAIST ayudaría a impulsar al gobierno de Kenia a unirse al proyecto.

Hu invitó a Yilma y Mutisya a asistir a la Conferencia Internacional sobre Exploración del Espacio Profundo, conocida como Foro Tiandu, que se celebrará en China en septiembre.

Estas últimas asociaciones se formaron durante el viaje del laboratorio a la conferencia NewSpace África celebrada en Angola la primera semana de abril.

En la conferencia, el discurso de apertura de Hu incluyó el primer llamado público a las naciones y organizaciones africanas para que se unan a la iniciativa ILRS.

Hasta el momento, la ILRS cuenta con nueve países miembros: China, Rusia, Venezuela, Pakistán, Azerbaiyán, Bielorrusia, Sudáfrica, Egipto y Tailandia. Países de la OTAN Según se informa, Turquía también pidió unirse. Además de estos, también cuenta con varios miembros que son institutos de investigación, universidades o empresas.
El frecuentemente visto programa Artemis liderado por Estados Unidos como rival al proyecto ILRS, cuenta ahora con un total de 38 países que han firmado sus acuerdos Artemis.

SSGI es anteriormente el Instituto Etíope de Ciencia y Tecnología Espaciales, que se estableció en 2016 como una importante iniciativa para impulsar las actividades de ciencia y tecnología espaciales en el país para el desarrollo sostenible.

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KAIST, actualmente en construcción en Konza Techno City, sigue el modelo del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea. Su objetivo es liderar investigaciones pioneras en ciencia y tecnología y formar científicos e ingenieros altamente calificados para la industrialización y modernización de Kenia, según el sitio web del instituto.

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El núcleo de Plutón probablemente fue creado por una antigua colisión

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El núcleo de Plutón probablemente fue creado por una antigua colisión

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Una enorme forma de corazón en la superficie de Plutón ha intrigado a los astrónomos desde que la nave espacial New Horizons de la NASA la capturó en una imagen de 2015. Los investigadores ahora creen que han resuelto el misterio de cómo surgió este corazón distintivo, y podría revelar nuevas pistas sobre los orígenes del planeta enano. .

Esta característica se llama Tombaugh Regio en honor al astrónomo Clyde Tombaugh, quien descubrió Plutón en 1930. Pero el núcleo no es solo un elemento, dicen los científicos. Y durante décadas, los detalles sobre la elevación de Tombaugh Regio, su composición geológica y forma distintiva, y su superficie altamente reflectante que es de un blanco más brillante que el resto de Plutón, han desafiado toda explicación.

Una cuenca profunda llamada Sputnik Planitia, que constituye el «lóbulo izquierdo» del núcleo, alberga gran parte del hielo de nitrógeno de Plutón.

La cuenca cubre un área de 745 millas por 1242 millas (1200 kilómetros por 2000 kilómetros), que es aproximadamente una cuarta parte del área de los Estados Unidos, pero también es de 1,9 a 2,5 millas (3 a 4 kilómetros) más baja. en elevación que la mayoría de los Estados Unidos. la superficie del planeta. Mientras tanto, el lado derecho del corazón también tiene una capa de hielo de nitrógeno, pero es mucho más delgada.

Gracias a una nueva investigación sobre Sputnik Planitia, un equipo internacional de científicos ha determinado que un evento cataclísmico creó el núcleo. Después de un análisis que incluyó simulaciones numéricas, los investigadores concluyeron que un cuerpo planetario de unos 700 kilómetros de diámetro, aproximadamente el doble del tamaño de Suiza de este a oeste, probablemente había chocado con Plutón en las primeras etapas de la historia del planeta enano.

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Los hallazgos son parte de un estudio sobre Plutón y su estructura interna publicado el lunes en la revista astronomía natural.

Anteriormente, el equipo había estudiado características inusuales en todo el sistema solar, como aquellas en la cara oculta de la Luna, probablemente creadas por colisiones durante los caóticos primeros días de la formación del sistema.

Los investigadores crearon simulaciones numéricas utilizando un software de hidrodinámica de partículas suavizadas, considerado la base para una amplia gama de estudios de colisiones planetarias, para modelar diferentes escenarios de posibles impactos, velocidades, ángulos y composiciones de la colisión teorizada del cuerpo planetario con Plutón.

Los resultados mostraron que el cuerpo planetario probablemente chocó contra Plutón en un ángulo inclinado en lugar de de frente.

«El núcleo de Plutón es tan frío que el (cuerpo rocoso que chocó con el planeta enano) permaneció muy duro y no se derritió a pesar del calor del impacto, y gracias al ángulo de impacto y la baja velocidad, el núcleo derretido del impactador no se hunde en el núcleo de Plutón, pero permanece intacto como una salpicadura en él”, dijo el autor principal del estudio, el Dr. Harry Ballantyne, investigador asociado de la Universidad de Berna en Suiza, en un comunicado de prensa.

Pero, ¿qué pasó con el cuerpo planetario después de que chocó con Plutón?

«En algún lugar debajo del Sputnik se encuentra el núcleo restante de otro cuerpo masivo, que Plutón nunca digirió por completo», dijo en un comunicado de prensa el coautor del estudio Erik Asphaug, profesor del Laboratorio Planetario y Lunar de la Universidad de Arizona.

La forma de lágrima del Sputnik Planitia es el resultado de la frigidez del núcleo de Plutón, así como de la velocidad relativamente baja del impacto en sí, descubrió el equipo. Otros tipos de impactos que fueron más rápidos y directos habrían creado una forma más simétrica.

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“Estamos acostumbrados a pensar en las colisiones planetarias como eventos increíblemente intensos cuyos detalles pueden ignorarse, excepto aspectos como la energía, el impulso y la densidad. Pero en el sistema solar distante, las velocidades son mucho más lentas y el hielo sólido es sólido, por lo que hay que ser mucho más preciso en los cálculos”, dijo Asphaug. «Ahí es donde comienza la diversión».

Mientras estudiaba la función cardíaca, el equipo también se centró en la estructura interna de Plutón. Un impacto temprano en la historia de Plutón habría creado un déficit de masa, provocando que Sputnik Planitia migrara lentamente hacia el polo norte del planeta enano con el tiempo, mientras el planeta aún se estaba formando. Esto se debe a que, según las leyes de la física, la cuenca es menos masiva que su entorno, explican los investigadores en el estudio.

Sin embargo, el Sputnik Planitia se encuentra cerca del ecuador del planeta enano.

Investigaciones anteriores han sugerido que Plutón podría tener un océano subsuperficial y, de ser así, la corteza helada sobre el océano subsuperficial sería más delgada en la región de Sputnik Planitia, creando una densa protuberancia de agua líquida y provocando una migración masiva hacia el ecuador”, señala el estudio. dijeron los autores.

Pero el nuevo estudio ofrece una explicación diferente para la ubicación de esta característica.

“En nuestras simulaciones, todo el manto primordial de Plutón queda ahuecado por el impacto, y cuando el material del núcleo del impactador salpica el núcleo de Plutón, crea un exceso de masa local que puede explicar la migración hacia el ecuador sin un océano subterráneo, o como mucho sin un océano subsuperficial muy delgado”, dijo el coautor del estudio, el Dr. Martin Jutzi, científico senior en investigación espacial y ciencias planetarias del Instituto de Física de la Universidad de Berna.

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Kelsi Singer, científica principal del Southwest Research Institute en Boulder, Colorado, y co-investigadora principal adjunta de la misión New Horizons de la NASA, que no participó en el estudio, dijo que los autores hicieron un trabajo extenso en la exploración de modelos y el desarrollo de sus hipótesis. . , aunque le hubiera gustado ver “una conexión más estrecha con la evidencia geológica”.

«Por ejemplo, los autores sugieren que la parte sur de Sputnik Planitia es muy profunda, pero gran parte de la evidencia geológica se ha interpretado en el sentido de que el sur es menos profundo que el norte», dijo Singer.

Los investigadores creen que la nueva teoría sobre el núcleo de Plutón podría arrojar más luz sobre la formación del misterioso planeta enano. Los orígenes de Plutón siguen siendo oscuros ya que existe en el borde del sistema solar y sólo ha sido estudiado de cerca por la misión New Horizons.

«Plutón es un vasto país de las maravillas con una geología única y fascinante, por lo que siempre son útiles hipótesis más creativas para explicar esta geología», dijo Singer. “Lo que ayudaría a distinguir entre las diferentes hipótesis es más información sobre el subsuelo de Plutón. Sólo podemos lograrlo enviando una nave espacial a la órbita de Plutón, potencialmente con un radar capaz de mirar a través del hielo.

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Vea cómo el 'cometa diablo' se acerca al Sol en una explosiva eyección de masa coronal (vídeo)

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Vea cómo el 'cometa diablo' se acerca al Sol en una explosiva eyección de masa coronal (vídeo)

El observatorio solar espacial STEREO-A de la NASA está monitoreando de cerca el «cometa del diablo» 12P/Pons-Brooks mientras se prepara para realizar su máxima aproximación al sol, conocida como perihelio, el 21 de abril.

En esta secuencia, el cometa pasa cerca de Júpiter desde la perspectiva del observatorio, justo cuando se lanza al espacio una eyección de masa coronal (CME), una gran expulsión de plasma y campo magnético del Sol.

Las CME se forman de la misma manera que las erupciones solares: son el resultado de la torsión y realineación del campo magnético del sol, conocido como reconexión magnética. Cuando estas líneas de campo magnético se “enredan”, producen fuertes campos magnéticos localizados que pueden atravesar la superficie del Sol y liberar CME.

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Una animación que muestra el cometa 12P/Pons-Brooks brillando intensamente cerca de Júpiter cuando una gran CME es liberada del Sol el 12 de abril de 2024. (Crédito de la imagen: NASA STEREO/Edición de Steve Spaleta)
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