Ver átomos moverse siempre había sido un sueño para los científicos. No porque no se supiera que lo hacían, sino porque nadie había conseguido grabarlo en plena acción. Hasta ahora. Y la reacción de uno de los protagonistas de este avance histórico lo dice todo: “Tuve que cerrar el ordenador y tomarme unas horas de descanso. Nadie había hecho esto antes en catálisis, así que estaba atónito”. Quien lo cuenta es Yosi Kratish, investigador de la Universidad Northwestern (EE.UU.) y uno de los autores principales de un estudio publicado en Chem, que ha logrado lo que parecía imposible: grabar en vídeo, átomo por átomo, cómo ocurre una reacción química.
Este descubrimiento no solo emociona por el espectáculo visual de ver a los átomos bailar y reorganizarse. Lo que han captado estos investigadores puede cambiar para siempre la industria química, la producción de combustibles, plásticos o medicinas. Porque lo que hasta ahora era invisible, ahora puede observarse y entenderse con detalle. Y eso, en química, lo es todo.
La técnica que lo ha hecho posible: SMART-EM, el microscopio que graba moléculas en movimiento
Para conseguirlo, el equipo utilizó una técnica revolucionaria: la microscopía electrónica de resolución atómica y tiempo resuelto, conocida como SMART-EM. Este sistema permite grabar vídeos a nivel atómico sin destrozar las moléculas orgánicas que se están estudiando. Esto es clave, porque los microscopios tradicionales suelen usar haces de electrones tan potentes que destruyen las estructuras que intentan observar.
En palabras del propio estudio, el microscopio SMART-EM ofrece “una oportunidad única, hasta ahora inexplorada, para interrogar eventos catalíticos en superficies y resolver cuestiones mecanísticas que antes eran intratables”. Su funcionamiento se basa en reducir al máximo la energía del haz de electrones y grabar muchísimas imágenes por segundo, creando un vídeo que muestra a los átomos moverse, vibrar y reorganizarse en tiempo real.
Este nivel de detalle, explican los autores, “supera al proporcionado por técnicas tradicionales como la cinética de reacción, XPS, XANES, EXAFS o RMN”, porque estas técnicas observan los procesos de forma global, mientras que SMART-EM permite ver lo que hace cada átomo individual.
Un catalizador diseñado para ser observado átomo a átomo
No era suficiente con tener el microscopio más avanzado. Los investigadores sabían que, para ver bien lo que querían, necesitaban diseñar un catalizador especial, con un único sitio activo bien definido. Así que crearon un catalizador basado en óxido de molibdeno (MoO₂) anclado a nanocuerpos de carbono con forma de cuerno (CNH).
¿Por qué este diseño? Porque el problema de los catalizadores tradicionales es que tienen múltiples sitios activos. Es decir, no es posible saber con precisión qué átomo está reaccionando, ni dónde. Al limitar el catalizador a un único sitio activo, los investigadores podían centrarse en un único proceso con total claridad.
Lo explican así en el paper: “Presentamos aquí un sistema catalítico con un único centro de MoO₂ soportado en CNH, y lo utilizamos para la deshidrogenación catalítica de alcoholes”. Esta elección, además, permitía grabar las reacciones que ocurren cuando se elimina hidrógeno de un alcohol, un proceso con enormes aplicaciones industriales.
Lo que descubrieron en vídeo: pasos intermedios desconocidos en las reacciones químicas
Las imágenes captadas por SMART-EM mostraron mucho más de lo que los científicos esperaban. Por ejemplo, observaron un intermedio químico llamado hemiacetal que nunca se había visto de forma directa durante una reacción catalítica. Tal y como recoge el artículo, “identificamos cuatro intermediarios clave anclados en los CNHs y descubrimos una nueva ruta de reacción que implica la equilibración entre alcóxidos y hemiacetales y la oligomerización de acetales”.
En otras palabras: no solo pudieron ver los productos finales de la reacción, sino también todos esos estados intermedios efímeros que antes solo existían en teorías o simulaciones. Esos pasos intermedios son fundamentales para entender, y por tanto mejorar, las reacciones químicas industriales.
Uno de los hallazgos más sorprendentes fue comprobar que los aldehídos, un producto intermedio que se creía que se liberaba inmediatamente, en realidad se quedaban anclados al catalizador y reaccionaban formando cadenas más largas, algo completamente inesperado.
Por qué esto importa mucho más de lo que parece
Este descubrimiento va mucho más allá de la curiosidad científica. Las reacciones catalíticas están en el corazón de la industria química mundial. El 85 % de los procesos industriales usan catalizadores. Desde la producción de fertilizantes hasta la creación de plásticos, pasando por medicamentos o combustibles.
Hasta ahora, diseñar mejores catalizadores era como trabajar a ciegas: sabías lo que entraba y lo que salía, pero no lo que pasaba en medio. Este trabajo cambia las reglas del juego. “Nuestro estudio es un gran paso para lograr comprender exactamente cómo funcionan los catalizadores a nivel atómico”, destacan los autores.
Gracias a esta capacidad de observar reacciones reales átomo por átomo, es posible pensar en catalizadores más limpios, más eficientes y con menor impacto ambiental. Además, podría abrir las puertas a diseñar nuevos materiales y procesos que hasta ahora eran imposibles.
El futuro de la química: grabar más y mejor las reacciones invisibles
El avance logrado con SMART-EM es solo el principio. Los propios investigadores lo admiten: “SMART-EM está cambiando la forma en que observamos la química. Eventualmente, queremos aislar esos intermediarios, controlar la cantidad de energía que introducimos en el sistema y estudiar la cinética de una transformación orgánica catalítica en vivo. Eso sería fenomenal”.
El potencial es enorme. Por ejemplo, poder ver en tiempo real cómo se forman defectos en un material, cómo se construye una proteína átomo a átomo o cómo ocurre la corrosión en un metal. El mundo de lo invisible empieza a ser visible, y eso supone una nueva era para la ciencia y la tecnología.
Este avance ha sido posible gracias a un trabajo internacional coordinado entre Estados Unidos y Japón, uniendo expertos en catálisis, química de superficies, microscopía avanzada y simulación teórica.
El reto ahora es seguir mejorando las técnicas, capturar más procesos y explorar nuevas reacciones. Lo que ya ha quedado claro es que, por primera vez en la historia, podemos mirar directamente lo que ocurre en el corazón de una reacción química. Y grabarlo.
Referencias
- Kratish, Y., Liu, Y., Li, J., Das, A., Jones, L. O., Agarwal, A., Ma, Q., Bedzyk, M. J., Schatz, G. C., Nakamuro, T., Nakamura, E., & Marks, T. J. (2025). Atomic-resolution imaging as a mechanistic tool for studying single-site heterogeneous catalysis. Chem. https://doi.org/10.26434/chemrxiv-2024-hpbl9.
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