Química cuántica: Moléculas atrapadas por efecto túnel
Un gran avance tras 15 años de investigación
Los efectos cuánticos pueden desempeñar un papel importante en las reacciones químicas. Físicos dirigidos por Roland Wester, de la Universidad de Innsbruck (Austria), han observado por primera vez en experimentos una reacción mecánica cuántica de efecto túnel. La observación también puede describirse exactamente en teoría. Con el estudio publicado en Nature, los científicos proporcionan una importante referencia sobre este efecto fundamental en química. Se trata de la reacción con partículas cargadas más lenta jamás observada.
La mecánica cuántica permite que las partículas, debido a sus propiedades de onda mecánica cuántica, atraviesen la barrera energética (pared) y se produzca una reacción.
Harald Ritsch, Universität Innsbruck
Las reacciones de túnel en química son muy difíciles de predecir. La descripción mecánica cuántica exacta de reacciones químicas con más de tres partículas es difícil, con más de cuatro partículas es casi imposible. Los teóricos simulan estas reacciones con la física clásica y deben despreciar los efectos cuánticos. Pero, ¿dónde está el límite de esta descripción clásica de las reacciones químicas, que sólo puede proporcionar aproximaciones?
Roland Wester, del Departamento de Física de Iones y Física Aplicada de la Universidad de Innsbruck, lleva tiempo queriendo explorar esta frontera. "Se necesita un experimento que permita mediciones muy precisas y que, aun así, pueda describirse de forma mecánico-cuántica", afirma el físico experimental. "La idea se me ocurrió hace 15 años en una conversación con un colega en una conferencia en Estados Unidos", recuerda Wester. Quería rastrear el efecto túnel mecánico cuántico en una reacción muy sencilla.
Como el efecto túnel hace que la reacción sea muy improbable y, por tanto, lenta, su observación experimental era extraordinariamente difícil. Sin embargo, tras varios intentos, el equipo de Wester lo ha conseguido por primera vez, tal y como informa en el número actual de la revista Nature.
Un gran avance tras 15 años de investigación
El equipo de Roland Wester eligió el hidrógeno, el elemento más simple del universo, para su experimento. Introdujeron deuterio -un isótopo del hidrógeno- en una trampa de iones, la enfriaron y luego llenaron la trampa con gas hidrógeno. Debido a las bajísimas temperaturas, los iones de deuterio cargados negativamente carecen de la energía necesaria para reaccionar con las moléculas de hidrógeno de la forma convencional. En casos muy raros, sin embargo, se produce una reacción cuando ambos chocan.
Esto se debe al efecto túnel: "La mecánica cuántica permite a las partículas atravesar la barrera energética debido a sus propiedades de onda mecánica cuántica, y se produce una reacción", explica el primer autor del estudio, Robert Wild. "En nuestro experimento, damos a las posibles reacciones en la trampa unos 15 minutos y luego determinamos la cantidad de iones de hidrógeno formados. A partir de su número, podemos deducir con qué frecuencia se ha producido una reacción."
En 2018, los físicos teóricos habían calculado que en este sistema el túnel cuántico se produce solo en una de cada cien mil millones de colisiones. Esto se corresponde muy estrechamente con los resultados medidos ahora en Innsbruck y, tras 15 años de investigación, confirma por primera vez un modelo teórico preciso para el efecto túnel en una reacción química.
Bases para una mejor comprensión
Existen otras reacciones químicas que podrían aprovechar el efecto túnel. Por primera vez se dispone de una medida que también se comprende bien en la teoría científica. A partir de ahí, la investigación puede desarrollar modelos teóricos más sencillos para las reacciones químicas y probarlos en la reacción que ahora se ha demostrado con éxito.
El efecto túnel se utiliza, por ejemplo, en el microscopio de efecto túnel y en las memorias flash. También se utiliza para explicar la desintegración alfa de los núcleos atómicos. La inclusión del efecto túnel también permite explicar algunas síntesis astroquímicas de moléculas en nubes oscuras interestelares. El experimento del equipo de Wester sienta así las bases para comprender mejor muchas reacciones químicas.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Más noticias del departamento ciencias
Reciba la química en su bandeja de entrada
No se pierda nada a partir de ahora: Nuestro boletín electrónico de química, análisis, laboratorio y tecnología de procesos le pone al día todos los martes y jueves. Las últimas noticias del sector, los productos más destacados y las innovaciones, de forma compacta y fácil de entender en su bandeja de entrada. Investigado por nosotros para que usted no tenga que hacerlo.
