Los objetos del mundo cuántico son de naturaleza oculta y de sangre fría: por lo general, se comportan de manera cuántica solo cuando se enfrían significativamente y se aíslan del medio ambiente. Los experimentos realizados por químicos y físicos de Varsovia han destruido esta simple imagen¡Resulta que no solo uno de los efectos cuánticos más interesantes ocurre a temperatura ambiente y más alto, sino que juega un papel dominante en el curso de las reacciones químicas en las soluciones!
En general, derivamos nuestro conocimiento experimental de los fenómenos cuánticos a partir de experimentos realizados con equipos sofisticados en condiciones exóticas: a temperaturas extremadamente bajas y en el vacío, aislando los objetos cuánticos de la influencia perturbadora del medio ambiente. Científicos del Instituto de Química Física deLa Academia de Ciencias de Polonia IPC PAS en Varsovia, dirigida por el profesor Jacek Waluk y el grupo del profesor Czeslaw Radzewicz de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia FUW, acaba de demostrar que uno de los fenómenos cuánticos más espectaculares:el de la construcción de túneles: se produce incluso a temperaturas superiores al punto de ebullición del agua. Sin embargo, lo que es particularmente sorprendente es el hecho de que el efecto observado se aplica a los núcleos de hidrógeno, que son túneles en partículas que flotan en solución. Los resultados de las mediciones no dejan lugar a dudas: en el sistema estudiado, en condiciones típicas de nuestro medio ambiente, el túnel resulta ser el principal factor responsable de la reacción química¡ion!
"Durante algún tiempo, los químicos se han acostumbrado a la idea de que los electrones en las moléculas pueden hacer un túnel. Hemos demostrado que en la molécula también es posible que los protones, es decir, los núcleos de los átomos de hidrógeno, tunelen. Así que tenemos pruebasque una reacción química básica puede ocurrir como resultado del túnel y, además, en solución y a temperatura ambiente o superior ", explica el profesor Waluk.
En sus experimentos, los investigadores de Varsovia estudiaron moléculas individuales de porphycene C20H14N4, un isómero de porfirina. Los compuestos que pertenecen a este grupo se producen naturalmente, por ejemplo en la sangre humana, donde están involucrados en el transporte de oxígeno. Sus moléculas sonen forma de anillos de carbono planos con átomos de hidrógeno en el exterior y cuatro átomos de nitrógeno en el interior, dispuestos en las esquinas de un tetragón. En el espacio rodeado de átomos de nitrógeno hay dos protones. Estos protones pueden moverse entre los átomos de nitrógeno.la pregunta era si lo hacen moviéndose clásicamente o haciendo túneles.
La tunelización es una consecuencia de la naturaleza probabilística de los objetos cuánticos. En el mundo clásico que conocemos desde la vida cotidiana, un objeto siempre estará con probabilidad total en un lugar y, por lo tanto, con probabilidad cero en todos los demás. No es así en el resto del mundo.mundo cuántico. Cuando nada perturba el estado de una partícula elemental, un átomo o un pequeño grupo de ellos, la probabilidad de la existencia de un objeto cuántico se disuelve en el espacio. Este fenómeno produce efectos espectaculares. Cuando un hombre quiere superar una pared, éltiene que escalarlo, es decir, tiene que aumentar vigorosamente su energía gravitacional hasta que sea mayor que la barrera potencial establecida por la pared. Mientras tanto, la indeterminación del objeto cuántico significa que se puede encontrar en el otro lado de la barrera, sin aumentar su energía, simplemente "pasando". El efecto ocurre mucho más rápido que la transferencia ordinaria en el espacio y con una probabilidad que es mayor cuanto menor es la distancia sobre la cual el objeto hace un túnel.Al estudiar los tiempos de los saltos del protón, se puede determinar si se han movido clásicamente o si se han tunelizado.
"La realidad es menos clara. Cuanto más alto sube nuestro protón a la escala de energía del porphycene, más pequeño es el ancho de la barrera que hay que superar. El túnel se vuelve cada vez más probable. Entonces todo indica que antes de que el protón tenga tiempo de subir a unnivel de energía que le permite superar clásicamente la barrera potencial, por lo general se ha tunelizado de todos modos ", explica el profesor Waluk.
Subir la barrera potencial no es simple. Cuando suministramos energía a los protones en porphycene, también inducimos varias vibraciones en la propia molécula. Resulta que entre 108 modos posibles de vibración en una molécula de porphycene, algunos aumentan la probabilidadde túneles y otros disminuyen. Los investigadores con sede en Varsovia, financiados por subvenciones del Centro Nacional de Ciencias de Polonia, determinaron las constantes de velocidad de las reacciones químicas que involucran porfeno en el rango de temperatura de 20 a 400 Kelvin, para saltos de protones que ocurren en la energía más bajaestado de la molécula, y en uno de los estados vibratorios excitados, promoviendo la construcción de túneles. De este modo se obtuvieron los tiempos de saltos de protones entre los átomos de nitrógeno. Los experimentos realizados en conjuntos de partículas frías y aisladas sugirieron tiempos de unos pocos picosegundos una millonésima de unomillonésima de segundo, y esos momentos se observaron en experimentos en Varsovia, dirigidos por el Dr. Piotr Fita y el estudiante de doctorado Piotr Ciacka del FUW.Las seguridades muestran que no solo se produce un túnel en el porfeno, sino que es responsable, ¡incluso a temperatura ambiente!- para al menos el 80% de los saltos de protones en los centros de las moléculas.
El papel dominante del túnel en el curso de una reacción química y su dependencia del tipo de vibración de la molécula es la forma de un control increíblemente preciso del curso de las reacciones químicas. Este tipo de química, conocida como química de modo selectivo, se demostró anteriormente, pero a una temperatura muy baja. El descubrimiento de los investigadores del IPC PAS y el FUW aumenta la esperanza de que en el futuro sea posible controlar con precisión las reacciones que tienen lugar también en condiciones típicas de nuestro medio ambiente.Las moléculas que flotan en la solución, previamente excitadas de una manera que mejora su reactividad, podrían introducirse en un estado de oscilación que reduzca significativamente su reactividad o viceversa. Una reacción específica, quizás una de las muchas que tienen lugar en la solución, podría entoncesse puede encender y apagar a pedido, mediante pequeños cambios en la cantidad de energía suministrada a las moléculas de un compuesto seleccionado.
"El túnel de protones en moléculas de porphycene en solución es una prueba espectacular de que incluso a temperatura ambiente y en un ambiente denso, un efecto puramente cuántico puede gobernar el curso de una reacción química. Pero este no es el final de las sorpresas. Nosotrostengo una sospecha razonable de que un fenómeno cuántico más exótico está involucrado en los movimientos de los dos protones en porphycene, siempre saltando juntos. El mundo de la química a nuestro alrededor sería aún más interesante. Si esto va a suceder, aprenderemos de másexperimentos ", dice el profesor Waluk.
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Materiales proporcionado por Instituto de Química Física de la Academia de Ciencias de Polonia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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