Aislamiento de matriz

El aislamiento matricial es una técnica experimental utilizada en química y física . Generalmente, consiste en atrapar un material dentro de una matriz no reactiva . Una matriz anfitriona es una fase sólida continua en la que se incrustan partículas invitadas (átomos, moléculas, iones, etc.). Se dice que la partícula invitada está aislada dentro de la matriz anfitriona . Inicialmente, el término aislamiento matricial 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 a baja temperatura . Un experimento típico de aislamiento matricial consiste en diluir una muestra invitada en la fase gaseosa con el material anfitrión, generalmente un gas noble o nitrógeno . Esta mezcla se deposita luego en una ventana que se enfría por debajo del punto de fusión del gas anfitrión. La muestra puede estudiarse mediante diversos procedimientos espectroscópicos .

La ventana transparente, sobre la que se deposita la muestra, se enfría habitualmente con helio comprimido o un refrigerante similar. Los experimentos deben realizarse al vacío para evitar que los contaminantes de gases no deseados se congelen en la ventana fría. Se prefieren temperaturas bajas debido a la mayor rigidez y la mayor "vidriosidad" del material de la matriz. Se utilizan gases nobles como el argón no solo por su baja 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 facilita la interpretación de la ocupación de los sitios y el desdoblamiento del campo cristalino del huésped. En algunos casos, se puede utilizar un material reactivo , por ejemplo, metano , hidrógeno o amoníaco , como material anfitrión para estudiar la reacción del anfitrión con las especies invitadas.

Mediante la técnica de aislamiento de matriz, se pueden observar e identificar especies de corta duración y alta reactividad, como iones radicales e intermedios de reacción _, mediante métodos espectroscópicos . Por ejemplo, el gas noble sólido criptón se puede utilizar para formar una matriz inerte dentro de la cual un ion reactivo ^F₃⁻ puede permanecer en aislamiento químico. ^{[ 1 ]} Las especies reactivas pueden generarse fuera del aparato (antes de la deposición) y luego condensarse, dentro de la matriz (después de la deposición) mediante la irradiación o el calentamiento de un precursor, o mediante la unión de 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 de doble chorro, las dos especies tienen un tiempo de contacto mucho más corto (y una temperatura más baja) que en el chorro fusionado . 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 en matriz puede utilizarse para simular el espectro de una especie en fase gaseosa sin interferencia rotacional ni traslacional. Las bajas temperaturas también contribuyen a obtener espectros más sencillos, ya que solo se pueblan los estados cuánticos electrónicos y vibracionales inferiores.

Especialmente la espectroscopia infrarroja (IR) , que se utiliza para investigar la vibración molecular , se beneficia de la técnica de aislamiento en 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 considerablemente con múltiples estados cuánticos rotacionales-vibracionales . Cuando el fluoroetano se aísla en matrices de argón o neón a bajas temperaturas, la rotación de la molécula de fluoroetano se inhibe. Debido a que los estados cuánticos rotacionales-vibracionales se suprimen en el espectro IR del fluoroetano con aislamiento en matriz, se pueden identificar todos los estados cuánticos vibracionales. ^{[ 3 ]} Esto es especialmente útil para la validación de espectros infrarrojos simulados que se pueden obtener mediante 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 el EPA (éter/isopentano/etanol 5:5:2). La técnica moderna de aislamiento matricial se desarrolló ampliamente durante la década de 1950, en particular por George C. Pimentel . ^{[ 5 ]} Inicialmente utilizó gases inertes de mayor punto de ebullición, como el xenón y el nitrógeno , como material huésped, y a menudo se le considera el "padre del aislamiento matricial".

La espectroscopia de aislamiento de matriz con vaporización láser fue introducida por primera vez en 1969 por Schaeffer y Pearson, quienes utilizaron un láser de granate de itrio y aluminio (YAG) para vaporizar carbono, el cual reaccionó con hidrógeno para producir acetileno. También demostraron que el boro vaporizado por láser reaccionaría con HCl para crear BCl₃ _. En la década de 1970, el laboratorio de Koerner von Gustorf utilizó la técnica para producir átomos metálicos libres, los cuales fueron depositados sobre sustratos orgánicos para su uso en química organometálica . Los estudios espectroscópicos sobre intermedios reactivos se realizaron a principios de la década de 1980 en los Laboratorios Bell. Utilizaron fluorescencia inducida por láser para caracterizar múltiples moléculas como SnBi y SiC₂ _. El grupo de Smalley empleó este método con espectrometría de masas de tiempo de vuelo para analizar cúmulos de Al. Gracias al trabajo de químicos como estos, la espectroscopia de aislamiento en matriz con vaporización láser ganó popularidad debido a su capacidad para generar transitorios que involucran metales, aleaciones y moléculas y cúmulos semiconductores. ^{[ 6 ]}

• Química huésped-anfitrión
• gas inerte
• Interacciones de Van der Waals
• radicales

• Dunkin, Iain R (1998). Técnicas de aislamiento de matriz: un enfoque práctico . Oxford: Oxford University Press . ISBN 0-19-855863-5.
• Daintith, John (editor sénior) (2004). Oxford Dictionary of Chemistry . Oxford: Oxford University Press. ISBN 0-19-860918-3.{{cite book}}: |author=tiene nombre genérico ( ayuda )
• Ball, David W., Zakya H. Kafafi , et al., A Bibliography of Matrix Isolation Spectroscopy, 1954-1985 , Rice University Press, Houston, 1988
• Dinu, Dennis F. "Bases de datos de espectroscopia de aislamiento de matriz y predissociación" . Bases de datos espectroscópicas . Consultado el 27 de enero de 2026 .