El aislamiento de matriz es una técnica experimental utilizada en química y física . Generalmente implica que un material quede atrapado dentro de una matriz no reactiva . Una matriz anfitriona es una fase sólida continua en la que se incrustan partículas huésped (átomos, moléculas, iones, etc.). Se dice que el huésped está aislado dentro de la matriz anfitriona . Inicialmente, el término aislamiento de matriz se utilizó 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 una muestra huésped que se diluye en la fase gaseosa con el material anfitrión, 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 se puede estudiar utilizando varios procedimientos espectroscópicos .
La ventana transparente, sobre la que se deposita la muestra, se suele enfriar utilizando helio comprimido o un refrigerante similar. Los experimentos deben realizarse en un alto vacío para evitar que los contaminantes de los gases no deseados se congelen en la ventana fría. Se prefieren temperaturas más bajas, debido a la rigidez mejorada y la "vidriosidad" del material de la matriz. Los gases nobles como el argón se utilizan no solo 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 anfitrión para poder estudiar la reacción del anfitrión con la especie huésped.
Utilizando la técnica de aislamiento de matriz, las especies altamente reactivas de vida corta, como los iones radicales y los intermediarios de reacción, pueden observarse e identificarse por medios espectroscópicos . Por ejemplo, el gas noble sólido kriptón puede utilizarse para formar una matriz inerte dentro de la cual un ion reactivo F 3 − puede permanecer en aislamiento químico. [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 de contacto y la temperatura. En la deposición de chorro doble , las dos especies tienen un tiempo de contacto mucho más corto (y una temperatura más baja) que en el chorro combinado . Con el chorro concéntrico, el tiempo de contacto es ajustable. [2]
Dentro de la matriz anfitriona, la rotación y la traslación de la partícula huésped suelen estar inhibidas. Por lo tanto, la técnica de aislamiento de la matriz puede utilizarse para simular un espectro de una especie en fase gaseosa sin interferencias rotacionales y traslacionales. Las bajas temperaturas también ayudan a producir espectros más simples, ya que solo se rellenan los estados cuánticos vibracionales y electrónicos inferiores.
En particular, 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 en fase gaseosa del fluoroetano, algunas regiones espectrales son muy difíciles de interpretar, ya que los estados cuánticos vibracionales se superponen en gran medida con múltiples estados cuánticos rotacionales-vibracionales . Cuando el fluoroetano se aísla 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-vibracionales se extinguen en el espectro IR de aislamiento de matriz del fluoroetano, se pueden identificar todos los estados cuánticos vibracionales. [3] Esto es especialmente útil para la validación de espectros infrarrojos simulados que se pueden obtener a partir de la química computacional . [4]
El aislamiento matricial tiene sus orígenes 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 implicaban la congelación de especies en vidrios orgánicos transparentes de baja temperatura , como EPA (éter/isopentano/etanol 5:5:2). La técnica moderna de aislamiento matricial fue desarrollada ampliamente durante la década de 1950, en particular por George C. Pimentel . [5] Inicialmente utilizó gases inertes de mayor punto de ebullición como xenón y nitrógeno como material anfitrión, y a menudo se dice que es el "padre del aislamiento matricial".
La vaporización láser en la espectroscopia de aislamiento de matriz fue introducida 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 por 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 de metal libres que luego se depositaron con sustratos orgánicos para su uso en química organometálica . Los estudios espectroscópicos se realizaron en intermediarios reactivos a principios de la década de 1980 por Bell Labs. Utilizaron fluorescencia inducida por láser para caracterizar múltiples moléculas como SnBi y SiC 2 . El grupo de Smalley empleó el uso de este método con espectrometría de masas de tiempo de vuelo mediante el análisis de grupos de Al. Con el trabajo de químicos como estos, la vaporización láser en la espectroscopia de aislamiento de matriz aumentó en popularidad debido a su capacidad de generar transitorios que involucran metales, aleaciones y moléculas y grupos de semiconductores. [6]
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