El aislamiento de matrices es una técnica experimental utilizada en química y física . Generalmente implica que un material quede atrapado dentro de una matriz no reactiva . Una matriz huésped es una fase sólida continua en la que están incrustadas partículas huésped (átomos, moléculas, iones, etc.). Se dice que el huésped está aislado dentro de la matriz anfitriona . Inicialmente, el término aislamiento por matriz se utilizaba para describir la colocación de una especie química en cualquier material no reactivo, a menudo polímeros o resinas , pero más recientemente se ha referido específicamente a gases en sólidos de baja temperatura . Un experimento típico de aislamiento de matriz implica que una muestra huésped se diluya en fase gaseosa con el material huésped, generalmente un gas noble o nitrógeno . Luego, esta mezcla se deposita en una ventana que se enfría por debajo del punto de fusión del gas anfitrión. Luego, la muestra puede estudiarse mediante diversos procedimientos espectroscópicos .
La ventana transparente sobre la que se deposita la muestra se suele enfriar con helio comprimido o un refrigerante similar. Los experimentos deben realizarse bajo alto vacío para evitar que los contaminantes de gases no deseados se congelen en la ventana fría. Se prefieren temperaturas más bajas, debido a la rigidez mejorada y "vidriosidad" del material de la matriz. Los gases nobles como el argón se utilizan no sólo por su falta de reactividad, sino también por su amplia transparencia óptica en estado sólido. Los gases monoatómicos tienen una estructura cristalina cúbica centrada en las caras (fcc) relativamente simple , lo que puede facilitar las interpretaciones de la ocupación del sitio y la división del campo cristalino del huésped. En algunos casos, se puede utilizar un material reactivo , por ejemplo, metano , hidrógeno o amoníaco , como material huésped para poder estudiar la reacción del huésped con la especie huésped.
Utilizando la técnica de aislamiento de matriz, se pueden observar e identificar por medios espectroscópicos especies altamente reactivas y de vida corta, como iones radicales e intermedios de reacción . Por ejemplo, el gas noble sólido criptón se puede utilizar para formar una matriz inerte dentro de la cual un ion F 3 − reactivo puede permanecer aislado químicamente. [1] Las especies reactivas pueden generarse fuera (antes de la deposición) del aparato y luego condensarse, dentro de la matriz (después de la deposición) irradiando o calentando un precursor, o juntando dos reactivos en la superficie de la matriz en crecimiento. Para la deposición de dos especies puede ser crucial controlar el tiempo y la temperatura de contacto. En la deposición en chorro gemelo , las dos especies tienen un tiempo de contacto mucho más corto (y una temperatura más baja) que en el chorro fusionado . Con chorro concéntrico el tiempo de contacto es ajustable. [2]
Dentro de la matriz huésped, la rotación y traslación de la partícula huésped suele estar inhibida. Por lo tanto, la técnica de aislamiento de matriz se puede utilizar para simular un espectro de una especie en la fase gaseosa sin interferencias rotacionales y traslacionales. Las bajas temperaturas también ayudan a producir espectros más simples, ya que sólo están poblados los estados cuánticos electrónicos y vibratorios más bajos.
Especialmente la espectroscopia infrarroja (IR) , que se utiliza para investigar la vibración molecular , se beneficia de la técnica de aislamiento de matriz. Por ejemplo, en el espectro IR del fluoroetano en fase gaseosa, algunas regiones espectrales son muy difíciles de interpretar, ya que los estados cuánticos vibratorios se superponen en gran medida con múltiples estados cuánticos vibratorios rotacionales . Cuando se aísla fluoroetano en matrices de argón o neón a bajas temperaturas, se inhibe la rotación de la molécula de fluoroetano. Debido a que los estados cuánticos rotacionales y vibratorios se apagan en el espectro IR de aislamiento de matriz del fluoroetano, se pueden identificar todos los estados cuánticos vibratorios. [3] Esto es especialmente útil para la validación de espectros infrarrojos simulados que se pueden obtener a partir de química computacional . [4]
El aislamiento de matrices tiene su origen en la primera mitad del siglo XX con los experimentos de fotoquímicos y físicos que congelaban muestras en gases licuados. Los primeros experimentos de aislamiento implicaron la congelación de especies en vidrios orgánicos transparentes de baja temperatura , como EPA (éter/isopentano/etanol 5:5:2). La técnica moderna de aislamiento de matrices fue desarrollada ampliamente durante la década de 1950, en particular por George C. Pimentel . [5] Inicialmente utilizó gases inertes de alto punto de ebullición como el xenón y el nitrógeno como material huésped, y a menudo se le considera el "padre del aislamiento matricial".
La vaporización por láser en espectroscopia de aislamiento de matriz fue realizada por primera vez en 1969 por Schaeffer y Pearson utilizando un láser de granate de itrio y aluminio (YAG) para vaporizar carbono que reaccionaba con hidrógeno para producir acetileno. También demostraron que el boro vaporizado con láser reaccionaría con HCl para crear BCl 3 . En la década de 1970, el laboratorio de Koerner von Gustorf utilizó la técnica para producir átomos metálicos libres que luego se depositaron con sustratos orgánicos para su uso en química organometálica . Bell Labs realizó estudios espectroscópicos sobre intermedios reactivos alrededor de principios de la década de 1980. Utilizaron fluorescencia inducida por láser para caracterizar múltiples moléculas como SnBi y SiC 2 . El grupo de Smalley empleó este método con espectrometría de masas de tiempo de vuelo analizando grupos de Al. Con el trabajo de químicos como estos, la vaporización láser en espectroscopia de aislamiento de matriz ganó popularidad debido a su capacidad para generar transitorios que involucran metales, aleaciones y moléculas y grupos de semiconductores. [6]
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